Искусственные спутники земли - определение. Особенности искусственных спутников земли на примере спутниковых систем связи

23 апреля 1965 года был запущен на высокую эллиптическую орбиту первый отечественный спутник связи "Молния-1", который ознаменовал становление в нашей стране спутниковой радиосвязи. Почти одновременно в США был запущен на геостационарную орбиту первый спутник коммерческой связи Intelsat-1.

Таким образом, была реализована идея резкого увеличения дальности радиосвязи благодаря размещению ретранслятора высоко над поверхностью Земли, что позволило обеспечить одновременную радиовидимость расположенных в разных точках обширной территории радиостанций. Преимуществами систем спутниковой связи (СС) являются большая пропускная способность, глобальность действия и высокое качество связи.

Конфигурация систем СС зависит от типа искусственного спутника Земли (ИСЗ), вида связи и параметров земных станций . Для построения систем СС используются в основном три разновидности ИСЗ (рисунок 9.1) - на высокой эллиптической орбите (ВЭО), геостационарной орбите (ГСО) и низковысотной орбите (НВО). Каждый тип ИСЗ имеет свои преимущества и недостатки.

Примером ИСЗ с ВЭО могут служить отечественные спутники типа "Молния" с периодом обращения 12 часов, наклонением 63° , высотой апогея над северным полушарием 40 тысяч км. Движение ИСЗ в области апогея замедляется, при этом длительность радиовидимости составляет 6..8 ч. Преимуществом данного типа ИСЗ является большой размер зоны обслуживания при охвате большей части северного полушария. Недостатком ВЭО является необходимость слежения антенн за медленно дрейфующим спутником и их переориентирования с заходящего спутника на восходящий.

Уникальной орбитой является ГСО - круговая орбита с периодом обращения ИСЗ 24 часа, лежащая в плоскости экватора, с высотой 35875 км от поверхности Земли. Орбита синхронна с вращением Земли, поэтому спутник оказывается неподвижным относительно земной поверхности. Достоинства ГСО: зона обслуживания составляет около трети земной поверхности, трех спутников достаточно для почти глобальной связи, антенны земных станций практически не требуют систем слежения. Однако в северных широтах спутник виден под малыми углами к горизонту и вовсе не виден в приполярных областях.

Плоскость низковысотных орбит наклонена к плоскости экватора (полярные и квазиполярные орбиты) с высотой порядка 200..2000 км над поверхностью Земли. Запуск легкого ИСЗ на низкую орбиту может быть осуществлен с помощью недорогих пусковых установок.

Принцип осуществления системы связи с использованием искусственных спутников Земли показан на рисунке 9.2. Здесь через а и б обозначены земные станции (ЗС), между которыми устанавливается связь, а прямые и , касательные к поверхности Земли в точках а и б, являются линиями горизонта этих пунктов. Поэтому спутник ИСЗ 1 , движущийся по орбите MN, может одновременно наблюдаться со станций а и б при движении его по участку орбиты и . Следовательно, электромагнитные колебания, излучаемые антенной системой ЗС в точке а в направлении ИСЗ 1 , могут быть приняты бортовой радиоаппаратурой спутника и после их усиления и преобразования по частоте направлены в сторону Земли, где будут приняты антенной ЗС в точке б. Антенны ЗС всегда должны быть ориентированы на ИСЗ. Следовательно, при движущихся ИСЗ антенны должны поворачиваться, осуществляя непрерывное "слежение" за перемещением спутника в пространстве .

Система радиосвязи при наличии бортовой аппаратуры называется системой с активной ретрансляцией сигнала или системой с активным спутником .

Рассмотрим структурную схему дуплексной связи между ЗС, размещенными в точках а и б при активной ретрансляции сигнала (рисунок 9.3). Здесь сообщение С 1 подводится к модулятору М станции ЗС а, в результате чего осуществляется модуляция колебаний с несущей частотой f 1 . Эти колебания от передатчика П подводятся к антенне А а1 и излучаются в сторону ИСЗ, где принимаются бортовой антенной А ретранслятора. Затем колебания с частотой f 1 поступают на разделительный фильтр (РФ), усиливаются приемником Пр 1 , преобразуются к частоте f 2 , и поступают к передатчику П 1 . С выхода передатчика колебания с частотой f 2 через РФ подводятся к бортовой антенне А и излучаются в сторону Земли. Эти колебания принимаются антенной А б2 станцией ЗС б, подводятся к приемнику (Пр) и детектору (Дет), на выходе которого выделяется сообщение С 1 . Передача от ЗС б к станции ЗС а сообщения С 2 происходит по частоте f 3 аналогичным образом, причем на бортовом ретрансляторе осуществляется преобразование колебаний с несущей частотой f 3 в колебания с частотой f 4 .

Для передачи сообщений можно предложить и другой метод, при котором на борту спутника радиоаппаратура отсутствует. В этом случае сигналы, посланные из пункта А, отражаются поверхностью ИСЗ 1 в сторону Земли (в том числе и к пункту б) без предварительного усиления. Поэтому сигналы, принятые станцией б, будут значительно слабее, чем при наличии бортовой аппаратуры. В качестве пассивных спутников могут использоваться как специальные отражатели различной формы (в виде сферических баллонов, объемных многогранников и других), так и естественный спутник Земли – Луна. Пропускная способность подобных систем связи при современном уровне техники не превышает двух-трех телефонных сообщений.

В случае, когда спутник ИСЗ 2 движется по орбите m–n (рисунок 9.2) с высотой настолько малой, что не может одновременно наблюдаться антеннами станций ЗС а и ЗС б (высота орбиты ниже точки пересечения линий горизонта и ), и потому сигнал, принимаемый бортовой аппаратурой на ИСЗ 2 не может быть сразу передан на станцию б. Работа системы в этом случае может быть построена следующим образом: ИСЗ 2 , пролетая над ЗС а принимает сообщения которые после усиления подаются на ботовую аппаратуру памяти (например, записываются на магнитофонную ленту). Затем когда ИСЗ 2 будет пролетать над ЗС б, включается в ботовой передатчик и происходит передача информации, принятой от ЗС а. Включение передатчика может осуществляться подачей специального командного сигнала, излучаемого ЗС б в момент появления ИСЗ в зоне видимости этой станции, или с помощью ботового программного устройства, учитывающего скорость движения спутника по орбите, ее высоту и расстояние между станциями. Такая система называется системой связи с памятью или системой с задержанной ретрансляцией. Система с активной ретрансляцией сигнала в зависимости от высоты орбиты и расстояния между станциями может быть выполнена как система с мгновенной (не задержанной) ретрансляцией сигнала (система в реальном масштабе времени) и как система с задержанной ретрансляцией .

Особый интерес представляет геостационарная орбита – круговая орбита, находящаяся в экваториальной плоскости (i=0) и удаленная от поверхности Земли на расстоянии около 36000 км. В том случае, когда направление движения спутника по такой орбите совпадает с направлением вращения Земли, спутник будет неподвижным относительно наземного наблюдателя (геостационарный спутник). Эта особенность, а также то, что ИСЗ находится от Земли на большом удалении, приводит к следующим важным преимуществам связи через геостационарный спутник: во-первых, становятся возможными передача и прием сигналов с помощью неподвижных антенных систем (то есть более простых и дешевых, чем подвижные) и, во-вторых, осуществление круглосуточной непрерывной связи на территории, равной примерно трети земной поверхности. Однако через геостационарный ИСЗ затруднительно осуществлять связь с приполярными районами, расположенными на широтах выше 75º…78º,так как при этом существенно возрастают шумы на входе земных приемников.

В нашей стране на геостационарную орбиту выведены спутники связи типа "Радуга" и "Горизонт".

При движении ИСЗ по другим орбитам (не геостационарной) спутники будут перемещаться относительно наземного наблюдателя. В этом случае необходимы подвижные антенные устройства и специальная аппаратура, обеспечивающая слежение и наведение антенны на движущийся спутник . Системы связи с подвижными ИСЗ при соответствующем выборе орбит позволяют обеспечить связь с любыми районами земного шара, в том числе и с приполярными. При использовании подвижных ИСЗ связь между станциями, размещенными в точках а и б (рисунок 9.2), может осуществляться лишь в течение времени, пока ИСЗ движется по участку орбиты .

Обеспечение длительной непрерывной связи при сравнительно невысоких орбитах возможно лишь при увеличении числа ИСЗ (рисунок 9.4,а).В этом случае на каждой земной станции должны быть установлены две антенны (А 1 и А 2), которые могут осуществлять передачу и прием сигналов с помощью одного из спутников, например ИСЗ 1 , находящегося в зоне взаимной связи . Когда ИСЗ 1 выедет из этой зоны, связь будет происходить через ИСЗ 2 с помощью антенн А 2 . При выходе ИСЗ 2 из зоны передача и прием сигналов должны осуществляться посредством ИСЗ 3 и антенн А 1 , направленных на этот спутник и так далее. Для получения непрерывной связи между станциями а и б расстояние между соседними спутниками должно быть меньше зоны . Число ИСЗ при таком методе зависит от расстояния между пунктами связи и параметров орбиты .

При использовании ИСЗ можно применить ретрансляцию сигналов не только через один, но и через несколько спутников. При этом в случае низких орбит для непрерывной передачи сигналов на земных станциях необходимо иметь по две антенны.

На рисунке 9.4, б показаны ИСЗ, движущиеся по часовой стрелке по одной низкой орбите, часть которой показана в виде дуги mn. Сигнал от станции а через антенну А 1 поступает на ИСЗ 4 и ретранслируется через ИСЗ 3 , ИСЗ 2 , ИСЗ 1 к приемной антенне А 1 станции б. Таким образом, в этом случае для ретрансляции сигнала используются антенны А 1 и сегмент орбиты, содержащий ИСЗ 4 – ИСЗ 1 . При выходе ИСЗ 4 из зоны, лежащей левее линии горизонта , передача и прием сигнала будет вестись через антенны А 2 и сегмент, содержащий ИСЗ 5 – ИСЗ 2 . Затем передача и прием сигналов будет осуществляться антеннами А 1 и сегментом, состоящим из спутников ИСЗ 6 – ИСЗ 3 и так далее.

Рисунок 9.4. Система связи с несколькими ИСЗ

Использование ИСЗ, движущихся по орбитам с малой высотой, упрощает аппаратуру земных станций, так как при этом возможно снижение усиления земных антенн, мощности передатчиков и работа с приемниками, имеющими несколько большую эквивалентную шумовую температуру, чем в случае геостационарных спутников. Однако в этом случае увеличивается число спутников, и требуется управление их движением по орбите.

Другой вариант использования для ретрансляции сигналов нескольких ИСЗ приведен на рисунке 9.4,в. В этом случае с одного из группы спутников, движущихся по одной орбите, например ИСЗ 4 , сигнал, излучаемый А 1 станции "а", ретранслируется к геостационарному спутнику ИСЗ г, а затем принимается антенной А станции "б". При выходе ИСЗ 4 из области, лежащей левее линии горизонта , непрерывная связь станции "а" с ИСЗ г будет осуществляться через антенну А 2 и ИСЗ 5 , затем через А 1 и ИСЗ 6 и так далее. На станции "б" в этом случае достаточно будет иметь лишь одну антенну, направленную на ИСЗ г.

Поскольку ИСЗ может наблюдаться с большой территории на поверхности Земли, можно осуществить связь между несколькими ЗС через один общий ИСЗ. В этом случае спутник оказывается "доступным" многим земным станциям, поэтому такая система называется системой с многократным доступом (МД). В системах МД могут быть организованны как циркулярная связь между станциями (передача сообщений от одной станции нескольким станциям), так и одновременная дуплексная связь между всеми ЗС, использующими один общий бортовой ретранслятор, размещенный на ИСЗ. Система связи через ИСЗ с МД состоит из нескольких земных станций, находящихся в зоне взаимной связи через ИСЗ и использующих для связи друг с другом или для связи одной станции с несколькими станциями в любых сочетаниях общий ретранслятор на ИСЗ (рисунок 9.5). Отметим, что в системе с МД может быть также организованна одновременная связь не со всеми станциями, а лишь с группой станций. В этом случае целесообразно использование бортовых антенн, имеющих узкие диаграммы направленности (большое усиление). Такие антенны управляются с Земли и могут направляться на нужную группу станций. Другим вариантом этой системы является коммутация бортовой аппаратуры на ту или иную бортовую антенну, имеющую фиксированное направление на определенные точки земной поверхности. Каналы связи, организованные через ИСЗ между земными станциями системы МД, могут быть разделены на две группы:

• постоянные (закрепленные) каналы, предназначенные для связи только между определенными земными станциями;

• непостоянные (незакрепленные) каналы, временно организуемые между различными станциями в зависимости от нужд потребителей.

Очевидно, что каналы первой группы позволяют организовать немедленную связь в любое время; каналы второй группы для организации связи требуют выполнения определенной процедуры, аналогичной той, которая характерна для обычной городской телефонной связи. Прежде чем осуществить передачу сообщений по каналам второй группы, необходимо: получить сведения о наличии свободного канала в системе (то есть получить подтверждение доступа в систему связи – в АТС это соответствует продолжительному тону); набрать адрес (номер) нужного корреспондента; убедиться, свободен ли канал к корреспонденту (то есть получить доступ к корреспонденту).

Очевидно, что в системах с закрепленными каналами из-за того, что часть каналов в некоторые интервалы времени будет использоваться, общее число каналов должно быть больше, чем в системах с незакрепленными каналами. Таким образом системы, с незакрепленными каналами являются более эффективными, однако они имеют и недостатки: во-первых, требуется дополнительно время для установления связи (надо найти свободный канал и с помощью вызывных и адресных сигналов осуществить необходимую коммутацию) и, во-вторых, возможен отказ в установлении немедленного соединения системы.

При любом виде каналов связи (закрепленных или незакрепленных) могут быть созданы многоадресные, одноадресные и смешанные сообщения и стволы .

При многоадресном построении групповых сообщений каждая земная станция излучает один ствол, в котором передается групповое сообщение, предназначенное для приема всеми земными станциями. Стволы, излученные всеми ЗС, пройдя через бортовой ретранслятор, принимаются на каждой ЗС. После демодуляции из каждого ствола выделяются те части групповых сообщений, которые предназначаются только для данной ЗС. Это выделение осуществляется либо на основании адреса данной станции, который передается перед сообщением, (при незакрепленных каналах), либо по предварительной договоренности о месте размещения каналов, предназначенных для данной ЗС в передаваемых групповых сообщениях (при закрепленных каналах).

Очевидно, что при многоадресном построении групповых сообщений в ВЧ стволах каждая ЗС должна принимать n-1 стволов, где n – число ЗС. Таким образом, в этом случае получается сравнительно простое передающее устройство, но существенно усложняется приемное оборудование ЗС.

При одноадресном построении для каждой ЗС формируется свое групповое сообщение и свой ВЧ ствол, в котором каждая передающая станция занимает соответствующее число каналов. Таким образом, каждая станция занимает определенное число каналов в n-1 стволах, проходящих через ретранслятор, каждый из которых предназначен только для одной определенной земной станции. В этом случае на каждой станции необходимо принять и демодулировать только один ствол, предназначенный для этой станции. Очевидно, что передающая аппаратура получается сложнее приемной.

При смешанном построении стволов на каждой земной станции осуществляется многоадресное формирование стволов, а на ретрансляторе производится переход от многоадресного к одноадресному построению стволов, то есть осуществляется перегруппировка каналов. Таким образом, при смешанном построении стволов получается упрощение как приемного, так и передающего оборудования земных станций, но усложняется аппаратура ретранслятора.

Существует три основных метода разделения общего канала связи: по частоте (ЧР), во времени (ВР), и посредством сигналов различающихся по форме (кодовое разделение каналов).

Рисунок 9.6. Многостанционный доступ с разделением по частоте (а) и по времени (б)

Многостанционный доступ с частотным разделением (МДЧР) .

В этом случае для каждого ствола (то есть для каждой станции) выделяется определенная несущая частота (f 1 , f 2 ,…, f n). Разнос между парой соседних несущих выбирается таким, чтобы была исключена возможность взаимного перекрытия спектров при модуляции (рисунок 9.6,а). Отметим, что наиболее просто МДЧР реализуется в том случае, когда на земных станциях осуществляется частотная модуляция колебаний многоканальным сообщением с частотным разделением телефонных каналов (сокращенно – система ЧР ЧМ МДЧР). Таким образом, в этой системе на вход ретранслятора поступает сложный сигнал, представляющий собой систему n модулированных по частоте гармонических сигналов, являющихся несущими частотами всех ЗС. Прохождение такого сложного сигнала через общий бортовой ретранслятор, представляющий собой нелинейное устройство, приводит к следующим нежелательным явлениям:

1) возникновению переходных помех;

2) подавлению сигналов тех земных станций (то есть тех стволов), уровень которых на входе ретранслятора по каким либо причинам (например, вследствие замираний), окажется меньше уровней сигналов других станций. Это подавление может доходить до 6 дБ. Для устранения этого явления необходимы соответствующий контроль и регулировка уровней сигналов, излучаемых с каждой земной станции. Такая регулировка может производится автоматически сопоставлением принятых с ретранслятора уровней сигналов с различных стволов (станций;

3) возникновению переходных помех между стволами и снижению выходной мощности ретранслятора из-за нелинейности амплитудной характеристики тех каскадов ретранслятора, которые являются общими для всех стволов, принятых с земных станций. Снижение выходной мощности обуславливается появлением продуктов нелинейности, на которые расходуется часть мощности ретранслятора.

Перечисленные явления приводят к тому, что при заданном значении переходных шумов в телефонных каналах с увеличением числа земных станций, то есть с увеличением числа стволов (несущих), одновременно усиливаемых ретранслятором, приходится снижать число телефонных сообщений, передаваемых на каждой несущей. Отсюда, чем большее число станций входит в систему МДЧР, тем меньшее число телефонных сообщений может быть передано. Расчеты и испытания реальных систем показывают, что ретранслятор, способный пропустить на одной несущей при ЧР ЧМ 700 телефонных каналов, в случае работы 8 станций в системе ЧР ЧМ МДЧР может пропускать 30 каналов на каждой несущей, то есть не более 8·30 = 240 каналов (снижение пропускной способности почти в 3 раза). При работе 16 станций в системе ЧР ЧМ МДЧР на каждой несущей можно передавать не более десяти телефонных сообщений. Таким образом, по сравнению с первоначальной пропускная способность составляет 23%. Однако, при таком режиме работы при использовании статистических особенностей телефонных сообщений, передаваемых на различных несущих, появляются новые возможности увеличения пропускной способности ретранслятора. Если во время пауз между словами, фразами и при молчании абонентов в такой системе подавлять излучение земных передатчиков на несущей частоте, то это существенно снизит нагрузку ретранслятора и позволит в 3…4 раза увеличить пропускную способность. Напомним, что подобное подавление несущих используется при построении аппаратуры частотного разделения: на выходе индивидуальных преобразователей уровень колебаний с поднесущими частотами стремятся сделать возможно меньшим .

Метод МДЧР с подавлением несущих использован в системе "Спэйд", реализованной в международной системе "Интелсат". В этой системе каждое телефонное сообщение преобразуется в восьмиразрядный сигнал ИКМ (64 кбит/с) и передается на отдельной ВЧ несущей методом четырехфазной ФМ. Полоса частот, занимаемая одним телефонным каналом, составляет 38 кГц, защитный интервал Δf защ = 7 кГц (рисунок 9.6,а). Описываемая система обеспечивает передачу в одном стволе шириной 36 МГц 800 незакрепленных каналов .

В отечественной аппаратуре "Градиент Н" также используется МДЧР, при котором каждое телефонное сообщение передается на отдельной несущей путем ЧМ с пиковой девиацией частоты, соответствующей измерительному уровню, равной 30 кГц. Число несущих частот в стволе составляет 200, разнос между соседними несущими равен 160 кГц. В отечественной аппаратуре "Группа" число несущих составляет 24; разнос между ними 1.35 МГц. Частотная модуляция в этом варианте аппаратуры осуществляется стандартной 12-канальной группой (спектр 12..60 кГц) с эффективной девиацией частоты 125 кГц . Таким образом, число передаваемых телефонных сообщений составляет 24·12 = 288.

Многостанционный доступ с временным разделением (МДВР) .

В данном случае работа земных станций через ретранслятор осуществляется поочередно. Поэтому все станции могут работать на одной несущей частоте и должны иметь общую систему синхронизации, обеспечивающую строго поочередные включения и выключения передатчиков.

На рисунке 9.6,б приведен цикл работы системы МДВР, состоящей из трех станций – 1,2 и 3. В течение интервалов времени τ, которые называются кадрами станций, каждая станция излучает колебания несущей частоты, модулированные сообщением, поступающем от аппаратуры разделения; через τ 3 обозначен защитный интервал времени, предотвращающий одновременное включение двух наземных станций, а через Т ц – цикл передачи. Описанный вариант относится к случаю синхронной работы наземных станций. Система синхронизации, которая может осуществляться по пилот-тону, должна учитывать различие расстояний между ИСЗ и отдельными земными станциями. Обычно системы с МДВР работают с геостационарными ИСЗ, поскольку осуществить синхронизацию при использовании подвижных ИСЗ сложно, так как в этом случае расстояния между ИСЗ и земными станциями будут переменными. В случае МДВР наиболее целесообразным вариантом является использование ИКМ с фазовой модуляцией несущей (сокращенно – ИКМ ФМ МДЧР). На рисунке 9.7 в качестве примера приведен подробный цикл работы системы МДВР. Из рисунка следует, что в течение каждого кадра со станций передаются не только сообщения, идущие по телефонным и служебным каналам связи, но и несколько специальных сигналов. К ним относятся: сигналы синхронизации, вызова и коммутации (СВиК), сигналы адресов (СА) и пилот-сигнал (ПС). Отметим, что СВиК состоит из сигнала синхронизации опорных генераторов при когерентном приеме (СГКП), сигнала цикловой синхронизации (ЦС), сигнала, необходимого в системах с ИКМ для тактовой синхронизации (ТС), и сигналов, обеспечивающих вызов абонентов и коммутацию цепей (ВиК).

Информационная часть кадра составляет около 85…90 % от полной длины кадра.

Системы с МДВР по сравнению с МДЧР обладают рядом преимуществ:

1) импульсная мощность передающего устройства данной станции не зависит от условий работы других станций и не требует регулировок, так как взаимное подавление сигналов отсутствует;

2) все земные передающие станции могут работать на одной несущей частоте, а приемные – на другой, что упрощает построение станций;

3) передатчик ретранслятора работает в режиме максимальной мощности; при этом отсутствуют взаимные помехи между ретранслируемыми сигналами.

К недостаткам систем с МДВР можно отнести сложность системы синхронизации станций и возникновение помех при нарушении синхронизации работы хотя бы одной станции.

Сравнение различных видов МД по пропускной способности при заданном значении шумов на выходе каналов и ограниченной мощности ретранслятора показывает, что МДВР имеет явные преимущества перед МДЧР.

Принцип МДВР реализован в отечественной аппаратуре МДВУ-40, позволяющей осуществить скорость передачи цифрового потока в стволе ИСЗ, равную 40 Мбит/с. В этой системе используется ОФМ-4.

9.2. Особенности передачи сигналов в космическом пространстве

Запаздывание сигнала.

Большая протяженность линии связи между земными станциями и ретранслятором, находящимся на борту ИСЗ, приводит к запаздыванию сигналов. Это определяется тем, что для прохождения расстояния , м, сигналу требуется время:

где – протяженность линии связи от ЗС, находящейся в точке "а", через ИЗС до ЗС, находящейся в точке "б" (рисунок 4.1.2); с = 3·10 8 м/с – скорость света; Н – расстояние от спутника до поверхности Земли. Отсюда следует, что при Н = 36000 км (то есть в случае геостационарного спутника) величина запаздывания составит приблизительно 250 мс. Запаздывание сигнала при передаче дуплексных телефонных разговоров приводит к появлению вынужденных пауз в разговоре, потери "контакта" между абонентами, то есть ограничивает естественность беседы .

Эхосигналы.

Запаздывание сигналов приводит к появлению заметных для абонентов эхосигналов, возникающих при переходе с четырехпроводных цепей связи на двухпроводные из-за неидеальности дифференциальных систем. Эхо сигналы проявляются в виде прослушивания абонентом своего разговора, задержанного на время, равное удвоенному времени распространения сигнала между абонентами. С учетом (9.1)

Особенно заметны эхосигналы при больших значениях t эха. Для систем связи, использующих спутники, движущиеся по орбитам с км (то есть для геостационарных спутников) t эха ≈ 500 мс. В этих случаях следует обеспечить затухание эхосигналов до величины, равной примерно 60 дБ относительно уровня полезного сигнала. Необходимое затухание эхосигналов осуществляется с помощью эхозаградителей.

Эффект Доплера.

Одной из особенностей систем связи через ИСЗ является возникновение эффекта Доплера , вызываемого движение спутника относительно ЗС. Обозначим через ν r ту компоненту скорости движения ИСЗ, которая совпадает с линией радиосвязи ИСЗ – ЗС и условимся считать величину ν r отрицательной в случае уменьшения расстояния между ИСЗ и ЗС и положительной при увеличении этого расстояния .

Известно, что при движении источника сигнала со скоростью ± ν r частота принимаемых колебаний f связана с частотой излучаемых колебаний f 0 соотношением

. (9.3)

Здесь с – скорость света.

Обычно всегда выполняется условие ν r /c << 1, поэтому при движении источника сигнала в сторону приемника . Отсюда изменение частоты, вызванное эффектом Доплера

Наиболее сильно эффект Доплера будет проявляться в системах связи, использующих не геостационарные орбиты (в системе "Молния" на рабочем участке орбиты ). В системах связи с геостационарными ИСЗ эффект Доплера может иметь место при коррекции положения спутника на орбите.

Отметим, что в соответствии с (9.4) эффект приводит не только к изменению частоты излучаемых колебаний, а следовательно, и несущей частоты, но и вызывает деформацию спектра передаваемого сообщения. Так, если модуляция осуществлялась колебанием с частотой F, принятое колебание на выходе детектора с учетом эффекта Доплера будет иметь частоту . Поэтому при модуляции колебаниями с частотами F 1 =1 кГц и F 2 = 10 4 кГц на выходе детектора при получим соответственно частоты Гц и Гц. Отсюда следует, во-первых, что верхние частоты в спектре сообщения будут изменяться на большую величину, а во-вторых, что ширина спектра принятого колебания будет отличаться от ширины спектра модулирующих колебаний (в приведенном примере почти на 100 Гц).

Диапазоны рабочих частот систем связи через ИСЗ . Выбор полос частот, выделяемых для работы систем связи через ИСЗ, определяется следующими основными условиями:

особенностями распространения электромагнитных колебаний через атмосферу;

интенсивностью шумов, вызванных радиоизлучениями различных внешних источников (Солнце, Луны, планет, атмосферы Земли и других);

возможностью работы систем связи через ИСЗ в выделяемых полосах частот совместно с другими радиослужбами при допустимых значениях радиопомех.

Согласно регламента радиосвязи , для района 1 (Европа, РФ, МНР, Африка) фиксированной спутниковой службе, к которой относятся системы связи через ИСЗ, отводятся следующие полосы частот (в диапазоне до 40 ГГц):

для передачи сообщений на участке сообщений Земля–ИСЗ 5.725…7.075; 7.9…8.4; 12.5…13.25; 14.0…14.8; 27.5…31.0 ГГц;

для передачи сообщений на участке сообщений ИСЗ– Земля 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…40.5 ГГц.

Следует отметить, что наилучшими полосами частот для систем связи через ИСЗ являются частоты в диапазоне 2…8 ГГц.

Сигнал на входе приемных устройств. Мощность сигнала на входе приемника может быть определена по формуле:

. (9.5)

Здесь А ∑ – суммарное ослабление сигнала на участке между антеннами; V(t) – множитель ослабления не превышаемый в течение t (%) времени; А п и А пр – характеризуют соответственно затухание (ослабление) сигнала в фильтрах, стоящих между выходом передатчика и антенной, и выходом приемника и антенной; K пол – величина поляризационных потерь, обусловленных как не идентичностью поляризационных характеристик антенн, так и изменением плоскости поляризации, вызванным эффектом Фарадея.

Практикум.

Найти мощность сигнала на входе приемника наземной станции при: Р пер =15 Вт; G пер =25 дб; G пр =47дб; f пер =30 ГГц. Потери энергии в тропосфере А=190 дб, поляризационные потери К пол =7 дб. Спутник геостационарный.

Для решения подобных задач используйте формулу (9.5), при условии, что V=1, потери Ап и Апр отсутствуют. Все величины подставляются в формулу в единицах.

Величина А ∑ определяется ослаблениями сигнала в свободном пространстве А св0 и поглощением в атмосфере при угле возвышения β в случае отсутствия осадков А а (β). аким образом,

. (9.6)

Величина А а (β) ηависит от длины пути радиоволн в атмосфере, которую можно характеризовать углом возвышения β. Путь, а следовательно, и поглощения будут минимальными при β = 90º, когда радиоволны пересекают атмосферу под прямым углом, и максимальными при β → 0. При определении затухания некоторую роль играет и высота станции над уровнем моря, так как характеризует длину пути луча в атмосфере.

Для расчета А а (β) μогут быть использованы кривые, приведенные на рисунке 9.8, где по оси абсцисс отложена величина ослабления а а (β), δБ, то есть а а = 10·lg А а (β).

Множитель ослабления в системах связи через ИСЗ.

Множитель ослабления V 2 (t) определяется только поглощением электромагнитной энергии в осадках (дожде, облаках и туманах):

. (9.7)

Здесь а g – погонное ослабление сигнала, дБ, на трассе протяженностью 1 км; R g – протяженность трассы, км, на которой наблюдаются осадки. Величина а g для дождей разной интенсивности определяется по графикам.

Величина R g , входящая в (9.7), определяет длину трассы, на которой коэффициент ослабления а g примерно постоянен. Для вертикальных трасс (β=90º) ìожно считать величину R g = 3…4 км, для горизонтальных (β=0º) – âеличина R g зависит от интенсивности осадков. При интенсивности осадков 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.

На частотах ниже 8 ГГц величина а д будет мала, поэтому в соответствии с (9.7) получим V 2 (t) =1. Таким образом, в системах связи через ИСЗ на частотах ниже 8 ГГц замирания сигнала можно не учитывать. Это является важным преимуществом этих систем связи по сравнению с системами РРЛ и ТРЛ.

Величина К пол, входящая в (9.5), будет определятся только несовпадением поляризационных характеристик приемной и передающей антенн. Для предотвращения резкого уменьшения величины К пол в системах связи через ИСЗ часто используются антенны с круговой поляризацией, которая при неточном изготовлении антенн может перейти в эллиптическую. При использовании на передаче и приеме антенн с одинаковой поляризацией (линейной или круговой) можно получить величину К пол = 1. В случае, если обе антенны имеют линейную поляризацию во взаимно ортогональных плоскостях, то есть если одна антенна рассчитана на колебания с горизонтальной поляризацией, а другая – с вертикальной, величина К пол = 0, то есть связь между антеннами отсутствует. Если одна из антенн имеет круговую поляризацию, а другая – линейную, величина К пол = 0.5, что соответствует уменьшению принимаемой мощности в 2 раза.

Шумы на входе приемных устройств.

В спутниковых системах связи в отличие от РРЛ прямой видимости используются приемные устройства со значительно меньшими собственными шумами. Поэтому суммарная мощность шумов, отнесенных ко входу приемного устройства, определяется как величиной собственных тепловых шумов приемника Р т.вх, так и интенсивностью шумов различных источников и цепей, внешних по отношению к приемнику. К внешним источникам шумов могут быть отнесены: радиоизлучение атмосферы, шумы Земли и антенны, а также тепловые шумы, создаваемые различными цепями, подключенными ко входу приемника (фидерами, фильтрами и так далее). Кроме того, значительный уровень шумов на входе приемника может создаваться внеземными источниками – радиоизлучениями Солнца, Луны, планет и космическими источниками радиоизлучения . Таким образом, суммарная мощность шумов, отнесенная ко входу приемников,

Здесь Р т.вх – мощность собственных шумов приемника; Р Ф – мощность шумов, создаваемых фидером и другими цепями, отнесенная ко входу приемника; Р А – мощность шумов антенны с учетом тепловых шумов атмосферы и шумов Земли, отнесенная ко входу антенны; Р к – мощность шумов, создаваемых радиоизлучением Солнца, Луны, планет и космическими источниками, отнесенных ко входу антенны; η – КПД фидера и фильтров; находящихся между входом антенны и входом приемника.

Учитывая, что мощность шумов связана с эквивалентной шумовой температурой Т э зависимостью

Р ш = kТ э ·П э, (9.9)

Где k – постоянная Больцмана, а П э – ширина полосы пропускания приемника, выражение (4.2.8) может быть переписано в виде

Рассмотрим определение величин, входящих в (9.10). Собственные шумы приемника, отнесенные к его входу, принято характеризовать коэффициентом шума Ш или эквивалентной шумовой температурой Т э.пр. Эти параметры связаны соотношением

Т э.пр = Т 0 (Ш-1),

где Т 0 = 290 К.

Величины Т э.пр и Ш определяются в основном параметрами первых каскадов приемника . Приемные устройства с малошумящими входными усилителями оказываются сложными в изготовлении и эксплуатации. Поэтому выбору приемного устройства, например, с квантово механическим входным усилителем должно предшествовать тщательное технико-экономическое сопоставление этого варианта построения приемного устройства с другими возможными вариантами. Наряду с этим, выбор схемы входного устройства приемника должен определяться выигрышем в величине суммарных шумов. Так сравнение квантовых и параметрических усилителей показывает безусловное превосходство первых по шумовым характеристикам. Однако квантовые усилители требуют наличия более дорогих криогенных установок с жидким гелием; кроме того, они конструктивно сложнее из-за необходимости создания постоянного магнитного поля. По усилению и ширине полосы частот оба усилителя примерно равноценны. В случае если фидер (или дополнительный элемент), находящийся при температуре Т ф = 290º К, обладает затуханием 0.1 дБ (η=0.977), эквивалентная шумовая температура, отнесенная к его выходу (то есть ко входу приемника), Т э.ф = 6.7 К. Таким образом, каждая десятая часть децибела затухания фидера (дополнительного элемента) будет приводить к увеличению суммарной температуры, отнесенной ко входу приемника, примерно на 7 К. Отсюда вытекает целесообразность сокращения длины фидера между облучателем антенны и приемником, то есть установка входных малошумящих усилителей приемника непосредственно вблизи облучателей антенны.

Эквивалентная шумовая температура антенны определяется воздействием на нее теплового излучения Земли, теплового излучения атмосферы и собственными шумами антенны, вызванными потерями в ее элементах. Обычно эти потери очень малы и поэтому собственные шумы антенны можно не учитывать. Следовательно, эквивалентная температура антенны, пересчитанная к ее входу,

, (9.11)

β – угол возвышения; Т э.з, Т э.а – соответственно эквивалентные температуры Земли и атмосферы, отнесенные ко входу антенны.

На рисунке 9.9 показаны кривые, которые определяют зависимость эквивалентной температуры атмосферы, приведенной к антенне Т э.а от частоты f и угла возвышения β. На этом же графике показаны примерные приделы изменения эквивалентной температуры космических шумов .

Рисунок 9.9. Зависимость эквивалентной шумовой температуры космических источников и атмосферы от частоты и угла возвышения.

Рассмотрение кривых рисунка 9.9 показывает, что при уменьшении β величина Т э.а растет настолько быстро, что использование величины 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.

Кривые (рисунок 9.9) относятся к нормальному состоянию атмосферы при отсутствии осадков; в случае осадков Т э.а увеличивается. На рисунке 9.10 приведены результаты экспериментов на частоте 6 ГГц при различной интенсивности осадков. Кривая 2 совпадает с зависимостью Т э.а от угла β, показанной на рисунке 9.9 для 6 ГГц.

Рисунок 9.10 – Шумовая температура атмосферы: 1 – дождь 6.35 мм/г; 2 – дождевые облака, дождя нет; водяные пары 5г/см 3

Рассмотрим определение эквивалентной температуры Земли, отнесенной ко входу антенны Т э.з. В системах связи через ИСЗ используются наземные антенны с большим коэффициентом усиления, имеющие ширину диаграммы направленности около одного градуса или меньше. Такие антенны, как следует из рисунка 9.9, для уменьшения эквивалентной температуры шумов атмосферы используются при β > 5…7º. поэтому можно считать, радиоизлучение Земли (шумы Земли) будут приниматься только через боковые лепестки диаграммы направленности наземной антенны. Это может быть пояснено с помощью кривых рисунка 9.10. На рисунке показана зависимость шумовой температуры антенны на частоте 2 ГГц от угла возвышения при двух вариантах облучения зеркала (отражателя) антенны и приведены относительные величины шумов, приходящихся на главный лепесток диаграммы и боковые лепестки передней и задней полусфер. Наибольший "вес" имеют шумы, приходящие по боковым лепесткам, и именно эти шумы определяют уровень собственных шумов антенны . Эти шумы в значительной мере зависят от метода облучения зеркала антенны: при более резком спадании облучения к краям антенны боковые лепестки получаются меньше и, как следствие, уменьшается шумовая температура. Следует отметить, что одновременно с этим ухудшается использование поверхности антенны, что приводит к снижению коэффициента усиления при неизменных размерах зеркала антенны.

Поскольку на практике спадание облучения к краям зеркала обычно соответствует 10 дБ, в соответствии с рисунком 9.11 можно приближенно считать, что за счет боковых лепестков эквивалентная температура Земли (К), отнесенная ко входу земной антенны,

Здесь β определяет угол возвышения в градусах.

Рисунок 9.11. Зависимость шумовой температуры антенны от угла возвышения при спадании облучения к краям антенны на 10 дБ (кривые 1, 2, 3, 4) и на 6 дБ (кривые 1", 2" , 3", 4") при f = 2 ГГц; кривые 1 и 1" – суммарная шумовая температура, 2 и 2" – доля боковых лепестков; 3 и 3" – доля главного лепестка; 4 и 4" – доля задних лепестков

Рисунок 9.12. Средняя яркостная температура планет

Таким образом, согласно формулам (9.11) и (9.12) для приемной антенны земной станции

где Т э.а (β) определяется по кривым на рисунке 9.9 для заданного значения β и частоты f.

Для бортовых антенн спутников связи, ориентированных на Землю, можно считать, что Ω А > Ω з, а Т з >Т; здесь Ω А телесный угол главного лепестка диаграммы направленности бортовой антенны (стерад); Ω з –телесный угол Земли, "наблюдаемой" с борта спутника (стерад); Т з = 290º – эквивалентная температура Земли; Т – эквивалентная температура среды и ближайших предметов, окружающих бортовую антенну. Учитывая, что, кроме излучения Земли, на бортовую антенну будет воздействовать излучение атмосферы, которая окружает Землю, получим

Здесь величина Т э.а (90º) определяется по кривой рисунок 9.9 для значения β=90º и частоты f.

Для характеристики радиоизлучений космических источников обычно использоваться понятие яркостной температуры Т я источника, которая определяется как температура абсолютно черного тела (К), имеющего на данной частоте и в данном направлении такую же яркость, как рассматриваемый источник.

В том случае, когда температура окружающей среды в различных направлениях от антенны неодинакова и характеризуется яркостной температурой Т я (β 0 ,ψ 0), где β 0 ,ψ 0 – координаты в сферической системе, для определения Т э.к необходимо умножить величину Т я (β 0 ,ψ 0) на усиление антенны в соответствующих направлениях G(β 0 ,ψ 0) и усреднить по всей сфере. Таким образом, на практике часто встречаются следующие два случая:

1. Величина Т я (β 0 ,ψ 0) постоянна или мало изменяется в пределах главного лепестка диаграммы направленности антенны, а излучением, принимаемым боковыми лепестками, можно пренебречь. Это относится к случаю, когда Ω и >Ω A , где Ω A – ширина диаграммы направленности антенны. В этом случае Т эк =Т я.

2. Угловой размер источников излучения Ω и мал по сравнению с шириной диаграммы направленности антенны Ω A (то есть Ω и < Ω з). При этом можно считать, что в пределах Ω и усиление G (β 0 ,ψ 0) = G max и потому

. (9.15)

Зависимость Т ср для Солнца и различных планет от длины волны приведена на рисунке 9.12

Величина углового диаметра Солнца для "земного" наблюдателя составляет , а угловой диаметр Луны в перигее и апогее – соответственно и , поэтому вероятность направления приемной антенны точно на ту или иную планету оказывается малой, тем не менее с этим, а также с возможностью приема излучения боковыми лепестками диаграммы направленности антенн, следует считаться.

Усредненная яркостная температура фонового излучения космоса, отнесенная ко входу антенны , приведена в виде двух штриховых линий на рисунке 9.9. Верхняя прямая характеризует максимальное, а нижняя – минимальное значение температуры.

Из изложенного следует, сто расчет величины Т эк, входящей в выражение (4.2.10), выполняется в соответствии с выражениями (9.15), и графиками, характеризующими , приведенными на рисунке 9.9. В том случае, когда приемная антенна не направлена на Солнце, Луну, планеты и дискретные космические источники, величина

Т эк = , (9.16)

причем определяется в соответствии с рисунком 9.9.

9.3. Особенности аппаратуры

Передающие устройства земных станций .

Эти устройства аналогичны передающим устройствам тропосферных линий связи. Частотная или фазовая модуляция колебаний осуществляется методами, используемыми в РРЛ прямой видимости и в тропосферных линиях связи .

На рисунке 9.13 приведена структурная схема передающей части аппаратуры "Градиент", которая работает в полосе частот 5975…6225 МГц и устанавливается на каждый ствол земной станции (ЗС). Передаваемые сообщения (многоканальный телефонный сигнал или телевизионный сигнал совместно со звуковым сообщением) подаются на вход (Вх) модулятора (М). Здесь осуществляется частотная модуляция колебаний промежуточной частоты, которые поступают к преобразователям ПР. На выходе ПР получаются ЧМ колебания в указанной выше полосе частот мощностью 3 Вт. Последующие усиление (до 3 или 10 кВт) осуществляется в мощных усилителях (МУ) на клистронах с КПД не менее 25%. Выходы МУ подключены к переключателю Пк, с помощью которого можно подключить к устройству сложения (УС) первый или второй комплект ПР и МУ и тем самым осуществить резервирование этих блоков (время переключения на резерв не более 200 мс). Отметим, что посредством УС к антенной системе можно подключить несколько таких же комплектов аппаратуры, то есть осуществить передачу через одну антенну нескольких стволов, каждый из которых занимает полсу 34 МГц. Контроль за работой осуществляется блоками К.

Рисунок 9.13. Структурная схема передающего устройства "Градиент"

Передающие устройства систем связи через ИСЗ отличаются от передающих устройств других систем связи, рассмотренных в предыдущих главах тем, что в них производится ограничение мощности и вводятся специальные сигналы дисперсии .

Приемные устройства земных станций .

Одной из основных особенностей приемных устройств земных станций является применение малошумящих усилителей на входе и антенн с большим коэффициентом усиления, достигающим 52…60 дБ .

Рассмотрим структурную схему приемного устройства "Орбита-2" (рисунок 9.14), рассчитанного для работы в полосе частот 3400…3900 МГц. Колебания, принимаемые антенной, проходят переключатель комплектов П и поступают на вход одного из малошумящих охлаждаемых параметрических усилителей (МШУ), а затем – на вход преобразователя и предварительного усилителя ПЧ (ПР; ПУПЧ). С выхода ПУПЧ колебания поступают на основной УПЧ и частотный детектор, которые находятся в стойке П (Ст. П). На выходе этой стойки в зависимости от вида принимаемого сигнала можно получить либо многоканальное телефонное сообщение, либо сигнал изображения совместно со звуковым сопровождением. Разделение последних осуществляется фильтром Ф. На рисунке 9.14 показано, что МШУ, ПР и ПУПЧ полностью резервированы, переход на резерв осуществляется автоматически переключателем П посредством аппаратуры контроля и резервирования (КР) в течение 250 мс. Основными параметрами описанного приемного устройства являются: эффективная шумовая температура, отнесенная ко входу – 80…90 К; коэффициенты усиления; МШУ – 40 дБ, ПУПЧ – 23 дБ, основного УПЧ 55 дБ. Система АРУ поддерживает выходной уровень ПЧ с точностью ±1 дБ при изменении входного уровня на ±10 дБ; полоса тракта ПЧ по уровню 1 дБ – 34 МГц, полоса МШУ по уровню 1 дБ – 250 МГц.

Рисунок 9.14. Структурная схема приемного устройства "Орбита-2"

Аппаратура "Орбита-2" позволяет создавать и многоствольный вариант приема; для этого с выходов МШУ, показанных на рисунке 9.14, колебания подаются на несколько параллельно включаемых блоков ПР; ПУПЧ .

Антенны.

В приемных и передающих устройствах используются антенные системы с усилением 50…60 дБ и малыми боковыми лепестками – рупорно-параболические и параболические антенны с переизлучателем (антенны Кассегрена). Наряду с этим, антенная система должна обеспечивать непрерывное слежение за движением ИСЗ. Это необходимо даже при использовании геостационарных ИСЗ, так как из-за неточностей выведения на орбиту они имеют некоторое перемещение и требуют коррекции движения. Отметим, что современные требования определяют допустимое смещение геостационарных ИСЗ на ±0.1 относительно номинального значения долготы. Поэтому антенные системы с узкой диаграммой направленности должны быть снабжены соответствующими поворотными устройствами, которые обеспечивают перемещение антенны в пространстве либо по заранее составленной программе, либо с помощью специальной системы слежения по максимальному значению принимаемого с ИСЗ сигнала. Второй способ может быть непосредственно реализован только на приемных антеннах, от которых данные, характеризующие направление приемной антенны на спутник, могут быть переданы на систему, управляющую движением передающей антенны. При передаче этих данных в них вносятся соответствующие поправки, учитывающие как некоторый территориальный разнос приемной и передающей антенн, так и их конструктивную неидентичность.

Бортовая приемопередающая аппаратура .

Одним из основных требований, предъявляемых ко всем комплексам, входящим в состав бортовой аппаратуры ИСЗ, является их высокая надежность, обеспечивающая безотказную работу аппаратуры в условиях космического пространства в течении длительного времени. Этому требованию должны отвечать не только отдельные детали и компоненты, входящие в состав аппаратуры, но и технологические приемы, используемые при изготовлении аппаратуры. Выбор варианта схемы бортового оборудования должен определяться минимальными массой, размерами, потребляемой мощностью .

На рисунке 9.15 приведена структурная схема приемопередатчика системы связи "Молния-1" . Прием и передача сигналов осуществляется общей антенной А, которая через разветвитель Р 1 и фильтры Ф 1 и Ф 2 присоединяется ко входу приемников и выходу передатчиков. Сигналы с несущими частотами f 1 и f 2 , принимаемые с земных станций, поступают к разветвителю Р 2 (рисунок 9.15) и через фильтры Ф 3 и Ф 4 подводятся к смесителям См, УПЧ и ограничителям Огр. После выравнивания ограничителями амплитуд принятых сигналов последние подаются к смесителям, в которых осуществляется преобразование промежуточной частоты в СВЧ. Затем сигналы с несущими частотами f 2 и f 4 через фильтры Ф 5 и Ф 6 и разветвитель Р 3 подводятся к двухкаскадному усилителю на ЛБВ. Охлаждение ЛБВ осуществляется жидкостью, которая проходит через наружные радиаторы, излучающие тепло в космическое пространство.

Рисунок 9.15. Структурная схема ретранслятора "Молния-1"

Для обеспечения продолжительной работы и повышения надежности бортовой приемопередающей станции используются холодное резервирование комплектов аппаратуры и автоматическая система проверки, которая состоит из имитатора колебаний с несущей частотой земных станций (ИНЗ), контрольно-измерительного устройства (КИУ), программно-временного устройства (ПВУ) и коммутатора комплексов (КК). При обнаружении неисправного комплекта он заменяется одним из двух резервных.

К основным характеристикам ретранслятора системы связи "Молния-1" относятся : диапазон частот – 800…1000 МГц; ширина диаграммы направленности бортовой антенны по уровню половинной мощности – 22º; мощность бортовых передатчиков при передаче телевизионного сигнала 40 Вт, при дуплексной передаче телефонных разговоров по 14 Вт в каждом высокочастотном стволе (на частоте f 2 и f 4); движение ИСЗ – по эллиптической орбите с апогеем около 40000 км в северном полушарии, перигеем около 500 км и наклонением орбиты около 65º; период обращения ИСЗ – 12 часов.

В 1972 году были запущены ИСЗ "Молния-2" с модернизированным ретранслятором, передатчики которого работают в диапазоне 4 ГГц.

Контрольные вопросы:

1. Перечислите преимущества систем спутниковой связи.

2. Дайте определение геостационарной орбите.

3. Поясните принцип связи с использованием искусственных спутников земли

4. Какая система является системой связи с задержанной ретрансляцией?

5. Охарактеризуйте систему с многократным доступом.

6. Объясните принцип многоадресного построения стволов.

7. Поясните принцип многостанционного доступа с частотным разделением.

8. Поясните принцип многостанционного доступа с временным разделением.

9. Что приводит к запаздыванию сигналов?

10. В чем проявляются эхосигналы для абонентов?

11. Из-за чего возникает эффект Доплера?

12. Чем определяется выбор полос частот, выделяемых для работы систем связи через ИСЗ?

13. Как определяется мощность сигнала на входе приемника?

14. Приведите формулу суммарной мощности шумов, отнесенной ко входу приемников?

15. Приведите структурную схему передающего устройства "Градиент".

16. Перечислите основные характеристики ретранслятора системы связи "Молния-1".

( ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Гуманитарный факультет.

Реферат на тему:

«Особенности искусственных спутников земли на примере спутниковых систем связи.»

Выполнила: студентка группы 10-202 Добротина Е.Г.

Москва 2001 г.

План

I . Введение

II .Первый искусственный спутник Земли

III. Системы связи ИСЗ

IV. Заключение

I . ВВЕДЕНИЕ

Стремительное развитие космонавтики, успехи в изучении и исследовании околоземного и межпланетного космического пространства в огромной степени расширили наши представления о Солнце и Луне, о Марсе, Венере и дру­гих планетах. Очень результативным оказалось изучение верхних слоев атмосферы, ионосферы, магнитосферы. Вме­сте с тем выявилась весьма высокая эффективность ис­пользования околоземного космоса и космической техни­ки в интересах многих наук о Земле.

Использование искусственных спутников Земли для связи и телевидения, оперативного и долгосрочного про­гнозирования погоды и гидрометеорологической обстанов­ки, для навигации на морских путях и авиационных трас­сах, для высокоточной геодезии, изучения природных ре­сурсов Земли и контроля среды обитания становится все более привычным. В ближайшей и в более отдаленной перспективе разностороннее использование космоса и космической техники, в различных областях хозяйства значительно возрастет.

Для нашей эпохи характерен огромный рост информации во всех сферах деятельности человека. Помимо прогрессирующего развития традиционных средств передачи информации-телефонии, телеграфии, радиовещания, возникла потребность в создании новых ее видов - телевидения, обмена данными в автоматических системах управления и ЭВМ, передачи матриц для печа­тания газет.

Глобальный характер различных хозяйственных про­блем и научных исследований, широкая межгосударствен­ная интеграция и кооперация в производстве, торговле, . научно-исследовательской деятельности, расширение обме­на в области культуры привели к значительному росту международных и межконтинентальных связей, включая обмен телевизионными программами.

Традиционные средства связи в отношении их ви­дов, объема, дальности, оперативности и надежности пе­редачи информации будут непрерывно совершенствовать­ся. Однако дальнейшее развитие их встречает немалые затруднения как технического, так и экономического ха­рактера. Уже теперь ясно, что требования, предъявляе­мые к пропускной способности, качеству, надежности ка­налов дальней связи, не могут быть полностью удовле­творены наземными средствами проводной и радиосвязи.

Сооружение дальних наземных и подводных кабель­ных линий занимает много времени. Они сложны и доро­гостоящи не только в строительстве, но и в эксплуата­ции, и в отношении дальнейшего развития. Обычные ка­бельные линии имеют к тому же сравнительно малую пропускную способность. Лучшие перспективы имеют ши­рокополосные концентрические кабели, однако и они об­ладают рядом недостатков, ограничивающих их приме­нение.

Значительно большей пропускной способностью, даль­ностью действия, возможностью перестройки для различ­ных видов связи располагает радио. Но и радиолинии обладают определенными недостатками, затрудняющими во многих случаях их применение.

Сверхдлинноволновые системы радиосвязи из-за огра­ниченности диапазона применяются обычно лишь для нужд транспорта, авианавигации и для специальных ви­дов связи.

Длинноволновые радиолинии из-за ограниченной про­пускной способности и сравнительно малого диапазона действия используются главным образом для местной ра­диосвязи и радиовещания.

Коротковолновые радиолинии обладают достаточной дальностью действия и широко применяются во многих видах связи различного назначения.

Новые пути преодоления свойственных дальней радио­связи недостатков открыли запуски искусственных спут­ников Земли (ИСЗ).

Практика подтвердила, что использование ИСЗ для связи, в особенности для дальней международной и меж­континентальной, для телевидения и телеуправления, при передаче больших объемов информации, позволяет устра­нить многие затруднения. Вот почему спутниковые си­стемы связи (ССС) в короткий срок получили небывало быстрое, широкое и разностороннее применение.

II . Первый искусственный спутник Земли.

Первая попытка поставить вопрос о создании ИСЗ была сделана в декабре 1953 г. при подготовке проекта постановления Совмина по ракете Р-7. Предлагалось: "Организовать в НИИ-88 научно-исследовательский отдел с задачей разработки проблемных заданий совместно с АН в области полета на высотах порядка 500 и более км, а также разработки вопросов, связанных с созданием искусственного спутника Земли и изучением межпланетного пространства с помощью изделия".

Эта задача рассматривалась в ОКБ не как разовая, а с расчетом на создание специального направления в развитии ракетостроения Такая масштабная постановка вопроса требовала большой предварительной подготовки, вплоть до оценки стоимости предстоящих работ по созданию ИСЗ.

При планировании работ по ИСЗ определенным ориентиром служили сведения о работах США в этой области. Вопросы приоритета оставались главным аргументом в течение всего последующего периода развития космонавтики. Поэтому в докладах, прежде всего, дается подробный обзор состоянию работ за рубежом. При этом высказывается, можно сказать, основополагающая мысль о том, что "ИСЗ есть неизбежный этап на пути развития ракетной техники, после которого станут возможными межпланетные сообщения". Обращается внимание на то, что за последние 2-3 года возросло внимание зарубежной печати к проблеме создания ИСЗ и межпланетным сообщениям.

Самое примечательное в документах на эту тему - это суждения о перспективе работ по ИСЗ. Разработка простейшего спутника - это только первый этап. Второй этап - создание спутника, обеспечивающего полет одного - двух человек по орбите. Третий этап работ- создание спутника-станции для длительного пребывания людей на орбите. При осуществлении этого проекта предлагалось собирать спутник-станцию из отдельных частей, доставляемых поочередно на орбиту.

Подготовительные работы к первым пускам ракеты шли со значительными трудностями и отставанием от установленных сроков. Вместе с тем, конструктора выражали уверенность, что при напряженной работе в марте 1957 г. начнутся пуски ракет. Ракету путем некоторых переделок можно приспособить для пуска в варианте искусственного спутника Земли, имеющего небольшой полезный груз в виде приборов весом около 25 кг... и отделяющийся шаровидный контейнер собственно спутника диаметром около 450 мм и весом 40-50 кг.

И вот в Советском Союзе была создана ракета, способная развить скорость 8 км/сек. Она стар­товала 4 октября 1957 г. Взлетев ввысь верти­кально, свечкой, ракета пронзила стратосферу. Ее вели автоматические устройства, действую­щие по заданной программе. Ракета поднялась на двести с лишком километров, постепенно приняла горизонтальное направление и легла на курс. Нужно было это сделать очень точно:

ошибка на один градус испортила бы все. Но автоматы действовали безупречно. Ракета на­брала нужную скорость и отправила в путь блестящий шар из алюминиевых сплавов- первый в мире искусственный спутник, сде­ланный в нашей стране.

8 км в секунду, 28800 км в час!

Если в какую-либо минуту спутник был над Австралией, то через 20 минут - над Аляской, еще через 12 минут - над Нью-Йор­ком, еще через 10 - над Бразилией. За полтора часа - кругосветное путешествие, 15 оборотов в сутки, и всякий раз по новой трассе, потому что плоскость орбиты спутника в пространстве неподвижна, а Земля вращается вокруг своей оси внутри этой орбиты.

Первый спутник был невелик: диаметр его - 58 см, вес - 83,6 кГ. У него были двухметровые усы - антенны. Внутри - два радиопередатчи­ка Проносясь над всеми странами мира, спутник оповещал, что эра космических странствий уже наступила, и эту эру открыла страна социа­лизма. За ним отправились в странствование вокруг Земли второй и третий спутники.

«Бэби-мун» - «Луной-малюткой» - прозвали американцы нашего межпланетного первенца. Тысячи глаз и радиоприемников следили за его полетом. И каждый час его жизни интересовал ученых. Впервые земное тело поднималось на высоту 947 км. Впервые на таких высотах работал радиопередатчик.

Сигналы его показы­вали, как проходят радиоволны через верхние наэлектризованные слои атмосферы, позволя­ли глубже понять их строение.

Радиопередача требует энергии. Энергия в космосе есть. Ее можно заимствовать от Солнца. Пусть оно своими лучами заряжает аккумуля­торы. Но на первом спутнике стояли батареи, заряженные на Земле. Они иссякли через неко­торое время, однако и замолкший спутник про­должал служить науке. На больших высотах, где пролегал его путь, воздуха почти нет... но все же «почти нет», а не «совсем нет». Даже при незначительной плотности воздух оказывает сопротивление, и скорость спутника посте­пенно снижается. Благодаря этому можно уста­новить, какова плотность атмосферы на различных высотах.

Некоторые особенности в движении спутни­ка указывают на неравномерное притяжение Земли. Это позволяет уточнить форму и строе­ние нашей планеты, найти скрытые под Землей тяжелые или легкие массы.

Теоретически тело, летящее над Землей со скоростью 8 км/сек, не упадет никогда. Но пер­вые спутники не могли летать вечно. Ничтожное сопротивление воздуха со временем затормози­ло их полет. Они снижались и, влетев в плотные слои воздуха, сгорали и рассыпались.

Теперь нужно было решить самый важный вопрос: может ли живое существо перенести космический полет, или оно неминуемо погиб­нет за пределами атмосферы? Второй советский искусственный спутник, стартовавший 3 нояб­ря 1957 г., должен был ответить на этот во­прос. На нем в космос на высоту до 1670 км отправилась первая путешественница - собака Лайка. Специальные приборы следили за ее дыханием, пульсом, кровяным давлением. Мы знаем, что Лайка хорошо перенесла стреми­тельный старт и многосуточное путешествие вокруг Земли. На третьем советском искусст­венном спутнике Земли была установлена еще белее разнообразная аппаратура для изучения свойств земной атмосферы, солнечного излуче­ния и т. п. Он весил 1,3 тонны, и запасы его электрической анергии для питания приборов пополнялись за счет действия солнечных лучей на установленные приспособления. Позднее несколько искусственных спутников удалось запустить и в США.

Третий советский спутник оказался самым долговечным и самым тяжелым. Советские люди сумели забросить в пространство солид­ное сооружение, размером с легковую маши­ну.

III . Спутниковые системы связи.

Интересно, что идея применения искусственных спут­ников Земли для связи была высказана еще до запуска первого спутника. В 1945 г. известный советский ученый П. В. Шмаков выдвигал идею использования ИСЗ для организации всемирного телевизионного вещания.

Каковы же принципы применения ИСЗ для целей свя­зи и почему спутниковые системы позволяют преодолеть многие трудности, возникающие при организации связи старыми, традиционными методами?

Известно, что шар отражает электромагнитные волны равномерно во всех направлениях, а его эффективная от­ражающая поверхность пропорциональна квадрату диа­метра. Повышение отражательных свойств такого шара может быть достигнуто за счет увеличения его диаметра. Надув шара осуществлялся после вывода ИСЗ на орби­ту способом сублимации. Оболочка имела защитную плен­ку и специальное металлизированное покрытие. Шар был составлен из отдельных меридиональных сегментов. Металлические шаровые сегменты, накладываемые на сферу, обеспечивали электрический контакт между всеми ме­ридиональными сегментами.

Несмотря на очевидную простоту, дешевизну и опре­деленные технические достоинства такой системы спутниковой связи, очень скоро выявились и серьезные ее недо­статки. Для поддержания устойчивой связи потребовалась большая мощность передающих и высокая чувствитель­ность приемных наземных устройств. Но и при выполне­нии этих условий радиолинии работали недостаточно ус­тойчиво, были подвержены влиянию помех. Срок жизни таких спутников вследствие изменения их формы, сжа­тия оболочки и ухудшения отражательных свойств, а также из-за быстрой потери высоты оказался небольшим.

Спутник, однако, постоянно перемещается в пространстве и не может всегда находиться в зоне совместной видимости пунктов, нуждающихся в связи. Как же рабо­тает ССС, если требуется длительная, многочасовая или даже круглосуточная, связь между заданными пунктами?

Одно из возможных решений этой задачи - запуск на соответствующие орбиты такого количества спутников, чтобы, как только один из них выйдет из зоны совмест­ной радиовидимости пунктов, нуждающихся в связи, дру­гой ИСЗ тотчас же входил бы в эту зону. Однако даже при достаточно большом количестве спутников, если их положение на ор­битах случайно, не исключено такое положение, когда в зоне совместной видимости двух пунктов, нуждающихся в связи, не окажется ни одного ИСЗ.

От чего же зависит количество ИСЗ, необходимых для обеспечения непрерывной связи? Очевидно, что, чем боль­ше высота их орбит, тем длительнее совместная види­мость ИСЗ наземными пунктами.

Наклонение - важнейшее условие охвата системой спутниковой связи определенного района Земли, заданной зоны обслуживания. В связи с первостепенной, можно сказать определяющей, ролью орбит ИСЗ в системах спут­никовой связи необходимо, хотя бы очень кратко, оста­новиться на некоторых основных их типах и поня­тиях.

Круговая орбита - это орбита, у которой расстояние от спутника до центра Земли приблизительно постоянно. Эллиптическая орбита - когда спутник движется вокруг Земли по кривой, близкой к эллипсу. Максимальное уда­ление ее от Земли (апогей) и минимальное (перигей) могут существенно отличаться друг от друга. Форма эл­липса определяется величиной его эксцентриситета (отно­шением разности расстояний от центра Земли до апогея и перигея к большой оси эллипса). Орбиты с большим экс­центриситетом имеют высокий апогей и называются высо­коэллиптическими.

Выбор формы орбиты (круговая, эллиптическая, высо­коэллиптическая), наклонения (полярная, наклонная с заданным углом наклона, экваториальная), величины пе­риода и характера обращения орбиты вокруг Земли (син­хронная, геостационарная) является определяющим при проектировании той или иной системы спутниковой свя­зи и в свою очередь обусловливается задачами проектируемой системы.

Начиная с первых запусков спутники связи почти всегда образуют систему. Одиночные ИСЗ связи широко­го использования применяются редко.

В спутниковых системах связи используются низкоорбитальные аппараты, высокоэллиптические ИСЗ и гео­стационары.

Системы связи с использованием низкоорбитальных ИСЗ

Первыми для целей связи были применены низкоорби­тальные ИСЗ.

Это объясняется, в частности, и тем, что вывод ИСЗ на низкие орбиты более прост и выполняет­ся с наименьшими энергетическими затратами. Первые запуски низкоорбитальных спутников связи показали возможность и целесообразность приме­нения ИСЗ для связи, подтвердили правильность техни­ческих принципов активной ретрансляции. Вместе с тем из первого опыта эксплуатации спутников на низких орбитах стало ясно, что они не могут обеспечить достаточно эффективного ре­шения задач спутниковой связи.

Для расширения районов и увеличения времени дейст­вия ССС предусматривалось пойти по пути увеличения числа ИСЗ в системе. Вскоре, однако, стало ясно, что многоспутниковая система связи на низкоорбитальных ИСЗ как система общего пользования обладает многими эксплуатационными неудобствами и нерентабельна.

В низкоорбитальных системах связи спутники могут размещаться в пространстве друг относительно друга случайно пли упорядоченно. При случай­ном расположении понадобится большее число ИСЗ, одна­ко упорядоченное местоположение их в пространстве по­требует немалых усилий для создания и сохранения заданного относительного расположения. При этом необ­ходимы постоянный контроль местоположения спутников и корректировка орбит вследствие эволюции их в процес­се полета.

К достоинствам ССС на низких орбитах относятся, как уже отмечалось, сравнительная дешевизна вывода их на орбиту и более простая бортовая аппаратура. К не­достаткам - трудность поддержания непрерывной круг­лосуточной связи, усложнения наземной аппаратуры за счет применения следящих антенных устройств, меньший срок существования КА.

Низкоорбитальные ССС могут оказаться эффективными в тех случаях, когда не требуется двусторонняя непрерывно действующая связь (например, если нужна лишь периодическая передача данных).

Системы связи с ИСЗ на высокоэллиптических орбитах

Чтобы избежать недостатков, свойственных спутниковой системе связи на низких орбитах, надо повышать высо­ту орбит. Возможны два варианта таких орбит - высо­кие круговые и высокоэллиптические. Выведение ИСЗ на высокоэллиптические орбиты в некоторых случаях имеет известные преимущества.

За счет высоты орбиты длительность связи увеличится. Причем она до­полнительно возрастет еще вследствие того, что отноше­ние времени видимости нахо­дящегося близко к апогею спутника в заданной зоне к периоду его обращения у спутников с эллиптической орбитой оказывается сущест­венно больше.

Согласно законам небес­ной механики (второму зако­ну Кеплера) при движении спутника по эллиптической орбите его угловая скорость тем меньше, чем дальше он находится от центра Земли. Иными словами, спутник в районе апогея движется су­щественно медленнее, чем в районе перигея. При определении расчетных параметров орбит спутни­ков связи, естественно, учитываются также энергетиче­ские характеристики ракеты-носителя, возможности космо­дрома и командно-измерительного комплекса и другие факторы, обусловливающие вывод спутника на орбиту и управление им в полете.

К спутникам с эллиптической орбитой относятся, на­пример, американские спутники связи «Тельстар» (пери­гей-около 1 тыс. км, апогей-около 11 тыс. км).

Хорошим примером спутников с высокоэллиптической орбитой служат советские спутники связи типа «Мол­ния». Для спутников этого класса выбрана орбита с апо­геем над северным полушарием около 40 тыс. км и пери­геем около 500 км, при наклонении 65° и периоде обра­щения, равном 12 ч При периоде обращения спутника класса «Молния», равном 12 ч, обеспечивается одновременно радиовиди­мость между Москвой и Дальним Востоком в течение 8- 9 ч на одном витке.

Орбитальная структура систем спутниковой связи (ко­личество ИСЗ, их орбиты и взаимоположение в простран­стве) обусловливается требованиями надежности, непрерывности, дальности действия связи, минимально до­пустимым углом места, при котором работоспособны наземные станции, и другими факторами.

Системы с геостационарными ИСЗ

Все большее распространение получают системы спутни­ковой связи с геостационарными ИСЗ, называемыми часто СИСЗ (стационарные ИСЗ). Они применяются для телефонно-телеграфной связи, радио- и телевещания. Созда­ются геостационарные космические аппараты комплекс­ного типа для метеорологических целей, изучения при­родных ресурсов Земли, контроля среды обитания, выпол­нения других задач.

Важнейшим достоинством геостационарных ИСЗ явля­ется образование огромной постоянной зоны видимости для многочисленных пунктов на Земле, охват обширных территорий, возможность организации связи на большую дальность и со значительным числом корреспондентов.

Существенное преимущество ССС со спутниками на геостационарных орбитах состоит в том, что при их ис­пользовании снижаются требования к наземным систе­мам слежения и связи, при этом упрощаются или устра­няются и устройства наведения бортовых антенн. по­мощью трех таких спутников, расположенных друг относительно друга под углами 120°, можно создать гло­бальную систему связи, т. е. систему, практически охваты­вающую всю Землю.

Геостационарные спутники связи, которые образно можно себе представить как телебашни, поднятые на вы­соту 36 тыс. км, в принципе позволяют вести и прямые передачи без помощи местных телецентров, непосредственно на абонентские антенны. В настоящее время уро­вень мощности излучаемых телесигналов с геостационара еще недостаточен для приема на обычную, типовую або­нентскую антенну, поэтому приходится применять не­большие специальные антенны группового пользования. Что касается радиовещания, то прием его может осуще­ствляться на совсем небольшие наружные антенны.

Говоря о несомненных достоинствах СИСЗ, нельзя упускать из виду того, что вывод аппарата на стационар­ную орбиту осуществляется сложнее, чем на низкую или даже на высокоэллиптическую. Доставка 1 кг полезного груза на геостационарную орбиту обходится значительно дороже. Для удержания СИСЗ в заданной точке «стояния» на нуж­ной долготе требуется регулярная корректировка орбиты с помощью микродвигателей, а на борту спутника необ­ходимы для этих целей запасы топлива. Усложняется уп­равление в полете. Развитие космонавтики позволяет, од­нако, рассчитывать на быстрое и успешное преодоление всех затруднений, возникающих при создании и эксплуа­тации спутниковых систем связи на геостационарах.

Успешно действуют советские геостационарные спутники связи и телевизион­ного вещания типа «Радуга», «Экран», «Горизонт».

В эксплуатации находятся зарубеж­ные спутники связи типа «Интелсат», «Домсат» (США), «Телесат» (Канада) и другие.

Несмотря на свои достоинства, геостационары, одна- ко не во всех случаях выгодны в технико-экономическом отношении. При определенных условиях более ра­ционально использование ИСЗ на высокоэллиптических орбитах, например типа «Молния».

VI . Заключение

Пропускная способность, разветвленность систем, надежность и экономичность ССС постоян­но растут. Многопрограммным телевидением постепенно охватываются все новые районы, включая и самые отда­ленные уголки России. Возрасло значение ССС в управлении различными отраслями народного хозяйст­ва, в системах массового обучения, оповещения о различного рода стихийных явлениях, оказания медицинской помощи. Массовое распространение получили мобильные сред­ства спутниковой связи, позволяющие быстро и практиче­ски в любых районах страны организовать связь с по­мощью ИСЗ.

Значительно расширилось международное сотрудниче­ство в области применения спутниковых систем связи, еще более развились системы «Интерспутник», «Стацио­нар», возрасло их взаимодействие с системами «Интел-сат», «Инмарсат» и другими ССС различных стран мира.

У миллионов людей есть возможность прямого исполь­зования ССС для индивидуальной связи с любым абонентом мира с помощью маломощных и весьма малогабаритных приемно-передающих устройств (мобильных телефонов). Реально применение ССС для «электронной почты» (интернет). Возможно также использования ИСЗ для индивидуального определения своего местонахождения в любой точке земного шара. При этом предполагается, что в распоряжении пользователей будут малогабаритные и дешевые индивидуальные навигационные устройства типа небольшого транзистора.

С каждым годом спутниковые системы связи будут становиться все более существенной частью Единой си­стемы связи, важным элементом глобальной систе­мы связи. Они и теперь играют заметную роль в улуч­шении связей и взаимопонимания между странами, а в течением времени эта роль будет возрастать.

Список используемой литературы:

1. Академия наук СССР «Космос-Земле» Изд. «Наука», Москва 1981г.

2. Детская энциклопедия, том 2. Изд. «Академия педагогических наук РСФСР», Москва 1962г.

3. Талызин Н.В. «Спутники связи - Земля и Вселенная», 1977

Полнотекстовый поиск:

Где искать:

везде
только в названии
только в тексте

Выводить:

описание
слова в тексте
только заголовок

Главная > Реферат >Астрономия

Федеральное агенство связи

Государственное общеобразовательное учреждение

«Сибирский государственный университет

Телекоммуникаций и информатики»

Кафедра Радиовещания и телевидения

РЕФЕРАТ

по Основам телекоммуникаций

тема: «Спутниковая радиосвязь».

Выполнил: студент I курса

Леонов Н.И.

Проверил: Катунин Г.П.

Новосибирск-2009

1. Искусственные спутники Земли в качестве ретрансляторов для систем

связи.………………………………………………………………….………….3

2. Принципы построения и особенности ССС…………………………………….7

3. Тенденции технологии…………………………………………………..………11

4. Космические станции……………………………………………………………12

5. Земные станции………………………………………………………………….16

1. Искусственные спутники Земли в качестве ретрансляторов для систем связи

Задачи увеличения дальности и пропускной способности систем связи всегда были осново­полагающими проблемами данной области техники. К сожалению, соответствующие харак­теристики, как правило, оказываются альтернативными: мероприятия по увеличению про­пускной способности приводят к сокращению дальности, и наоборот. В частности, повыше­ние пропускной способности требует перехода на все более высокочастотные диапазоны волн, сигналы которых могут быть непосредственно переданы практически лишь на рас­стояния прямой видимости- Как средство разрешения этого противоречия, могут быть ис­пользованы ретрансляторы, поднятые достаточно высоко нал поверхностью Земли.

Успехи развития космонавтики позволили использовать в качестве таких ретрансляторов ИСЗ. Поскольку они могут располагаться практически сколь угодно высоко над Землей, их область обслуживания может охватывать не только отдельные страны или моря, но и целые континенты и океаны. В общем случае спутники движутся по эллиптическим орбитам, в од-ном из фокусов которых располагается центр Земли. Спутник перемещается относительно наземного наблюдателя, а вместе с ним и область обслуживания перемещается по темной поверхности. В результате следует либо увеличивать число спутников в системе, либо со­гласиться с тем, что круглосуточная связь обеспечиваться не будет.

Улучшение ситуации может быть достигнуто, если орбиту спутника выбрать так, чтобы период обращения спутника вокруг Земли находился в простом соотношении с периодом ее обращения вокруг своей оси (синхронные орбиты). Использование таких орбит приводит к постоянному расписанию возможных сеансов связи, поскольку для любого наземного на­блюдателя спутник-ретранслятор (СР) появляется в данной точке небесной сферы периоди­чески, постоянно в одно и то же время.

Дальнейшие упрощения спутниковых систем связи наступают если:

Орбита спутника является круговой и лежит в плоскости экватора;

Период обращения спутника по орбите составляет ровно одни сутки. Такой спутник вообще остается неподвижным относительно любого наземного наблю­дателя. Соответствующая орбита именуется геостационарной (ГСО), а движущийся по ней спутник - стационарным. ГСО имеет радиус приблизительно 42,3 тыс. км. Она уникаль­ная и единственная, поэтому размещение спутников на ней жестко контролируется между народными организациями во главе с действующим пол эгидой ООН Международным союзом электросвязи (МСЭ). Той же организации поручена международная координация и других спутниковых систем связи с целью рационального ограничения взаимного влияния между ними.

Хотя в настоящее время подавляющая часть используемых СР являются стационарным и, они не лишены существенных недостатков. Именно такие спутники лучше всего приспо­соблены для обслуживания тропических и субтропических регионов. По мере продвижения наблюдателя на поверхности Земли от подспутниковой точки вдоль меридиана к полюсам Земли, угол места направления на стационарный космический аппарат (КА) уменьшается, достигая нулевого значения для широты 82 й (северной или южной). Для более близких к полюсам точек подспутникового меридиана видимость спутника вообще отсутствует. Легко понять, что граница геометрической видимости стационарного КА при отклонении наблю­дателя от подспутникового меридиана опускается в направлении к экватору. Кроме того, работа радиолиний в направлениях с малыми углами места вообще резко затрудняется как за счет приема отраженных от Земли сигналов, так и за счет экранирующего действия раз­личных возвышений, леса, строений или других препятствии. Поэтому стационарные КА практически неспособны обслуживать территории, лежащие севернее северного и южнее южного полярных кругов. Между тем эти территории часто представляют значительный интерес, например для России. Даже территория Северного полюса представляет значитель­ный интерес, прежде всего в связи с тем, что через нее пролегают наиболее выгодные трас­сы ряда важнейших авиалиний.

Орбиты СР можно выбирать так, чтобы обеспечить преимущественное обслуживание тех или иных регионов на поверхности Земли. Так, а России была предложена эллиптиче­ская орбита, специально приспособленная для обслуживания северных регионов нашей пла­неты. Апогей этой орбиты находится над северным полушарием на расстоянии приблизи­тельно 40 тыс. км от поверхности Земли, а перигей лежит на высоте в несколько сотен километров над южным полушарием. Плоскость орбиты наклонена к экватору примерно на 65°. Период обращения спутника по этой орбите составляет половину суток, так что это синхронный спутник. За сутки он совершает два витка" первый из них, называемый основ­ным, достигает апогея над Сибирью (в точке с географическими координатами 63»5° с.ш. и 81° в.д.), а второй - сопряженный - в точке с той же широтой, но сдвинутой по долготе на 180°, т.е. 99° з.д. (над Канадой). Параметры этой орбиты выбраны так, что & примыкающей к апогею части орбиты скорость углового перемещения спутника в направлении «восток-запад» совпадает с таковым для Земли. Это условие приблизительно выполняется на всем рабочем участке орбиты (от трех-четырех часов до достижения апогея до трех-четырех часов мосле его прохождения) и обеспечивает отсутствие перемещения спутника по отно­шению к любому наблюдателю на Земле в направлении «восток-запад».

На рабочем участке орбиты сравнительно небольшим оказывается и перемещение в на­правлении «север-юг». Эллиптическая орбита обеспечивает обслуживание северного полу­шария Земли, включая и область Северного полюса с достаточно большими углами места. Недостатком ее является необходимость использования системы из трех-четырех спутни­ков для поддержания непрерывности связи в течение суток, что удорожает космический сегмент системы; также существенно, что при использовании эллиптических спутников на ЗС приходится обеспечивать слежение антенной за перемещениями КА, что удорожает и земной комплекс системы.

Спутник-ретранслятор (СР) должен принимать сигналы от земных станций (ЗС) систе­мы связи, усиливать их и вновь передавать на те ЗС, которым очи предназначены. Таким образом, СР содержит приемное и передающее оборудование для ретрансляции сигналов.

Поскольку сквозное усиление приемопередающего тракта СР должно быть достаточно большим, необходимо вести прием и передачу на разных частотах (в противном случае не удастся избежать самовозбуждения тракта). Таким образом, обязательным элементом трак­та ретрансляции являются также преобразователи частоты.

Особенность ретрансляторов вещательной службы в том, что для них основным явля­ется передающий тракт, через который собственно и осуществляется вешание. На веща­тельных СР устанавливается и приемное оборудование, используемое для приема пода­ваемых на борт вещательных программ. Радиолиния подачи программ на борт именуется фидерной.

Спутник-ретранслятор, как всякий активный КА, кроме собственно тракта ретрансля­ции, именуемого по отношению к этому аппарату, полезной нагрузкой (ПН), содержит также и целый ряд вспомогательных систем, таких как система электропитания, система ориента­ции и стабилизации, система терморегулирования и управления. Последняя включает сис­темы формирования и передачи телеметрической информации. КА за вычетом полезной нагрузки именуется космической платформой (КП). Такая платформа может использоваться в сочетании с различными ПН для создания ряда различных КА.

В настоящее время в интересах фиксированной и вещательной служб чаще всего исполь­зуются стационарные СР. Типовые параметры платформ таких спутников:

энерговооруженность до 5-7 кВт, причем для питания полезной нагрузки выделяется 1,5-2 кВт;

масса порядка 2-3 т. в том числе полезной нагрузки 0,5-0,8 г;

точность ориентации и стабилизации порядка 0,1 ;

срок активного существования 12-15 лет.

Наряду с типовыми КА в настоящее время считается перспективным использование в интересах фиксированной службы малых КА (МКА) с массой 500-800 кг (в том числе ПН 100-200 кг) и энерговооруженностью 1,8-2,5 кВт. Достоинство МКА - возмож­ность группового или попутного (вместе с типовым КА) запуска, что существенно снижает расходы на выведение. МКА могут запускаться в те точки, где уже расположены другие СР и обеспечивать необходимое дополнение работающих на них стволов или замену стволов, вышедших из строя. На них могут строиться также национальные системы спутниковой связи сравнительно небольших или небогатых стран.

В зависимости от состава пользователей СР делятся на международные и национальные. Наиболее известные международные СР фиксированной службы Intelsat и Eutelsat. Сущест­венными ресурсами владеет также международная компания Интерспутник. СР Eutelsat содержат также стволы, чаще всего используемые европейскими странами для телевизион­ного вещания. Специально для этих целей используется спутниковая система Astra.

Национальная система спутниковой фиксированной службы России в настоящее время использует СР типа «Экспресс», а также «Ямал» различных модификаций.

2. Принципы построения и особенности ССС.

Виды орбит. Спутник связи может находиться на круговой или на эллиптической орбите. Соответственно центр Земли совпадает с центром круговой орбиты либо с одним из фокусов эллиптической орбиты (рис. 1).

Угол i между плоскостью орбиты и плоскостью экватора называют наклонением. При i =0 орбита называется эк­ваториальной, при i =90° – полярной, остальные – наклонными. Круговые орбиты различаются наклонением и высотой Н 3 над поверхностью Земли. Эллиптические орбиты – наклонением и высо­тами апогея А и перигея П над поверхностью Земли. Линия, со­единяющая апогей и перигей, называется линией апсид. Поля тя­готения Луны, Солнца, планет, магнитное поле Земли, несферич­ность Земли и другие возмущающие факторы вызывают изменение параметров орбиты во времени. Для наклонных эллиптических орбит эти изменения минимальны, если выбрать i =63,4°.

В ССС нашли применение орбиты двух типов: высокая эллип­тическая типа «Молния» и геостационарная орбита. Первая полу­чила название от советского спутника связи «Молния». Ее пара­метры: высота апогея около 40 тыс. км, высота перигея около 500 км, i≈63,4°. Апогей орбиты находится над северным полушарием. Период обращения ИСЗ–12 ч. За сутки ИСЗ совершает два оборота. Поэтому каждые сутки он виден в одних и тех же районах Земли в одно и то же время. Орбита, для которой период обращения ИСЗ кратен земным суткам, называется субсинхрон­ной. Согласно второму закону Кеплера в районе апогея высокой эллиптической орбиты ИСЗ движется гораздо медленнее, чем у перигея. Сеанс связи проводят, когда ИСЗ движется по части ор­биты, прилегающей к апогею. Он может продолжаться около 8 ч, поскольку в течение этого времени спутник на орбите типа «Мол­ния» виден на всей территории СССР. Разместив на орбите три ИСЗ, можно поддерживать связь круглосуточно. Эти спутники пе­ремещаются относительно ЗС, поэтому на последних приходится устанавливать подвижные антенны, следящие за ИСЗ.

Геостационарная орбита (ГО) – это экваториальная круговая орбита, для которой Н 3 =35786 км. Спутник, движущийся по этой орбите, называют геостационарным. Он вращается с той же угловой скоростью, что и Земля, и поэтому наблюдателю на Зем­ле кажется неподвижным. Точку на земной поверхности, над которой ИСЗ, находится в зените, называют подспутниковой. Для гео­стационарного спутника траектория подспутниковой точки вырож­дается в точку на экваторе. Долгота этой точки определяет поло­жение геостационарного ИСЗ. Связь через такой ИСЗ можно под­держивать с помощью неподвижных антенн ЗС. На самом деле часто приходится принимать во внимание сравнительно небольшие колебания положения ИСЗ, вызванные перечисленными выше воз­мущающими факторами. Под их влиянием подспутниковая точка начинает совершать колебания с суточной периодичностью. Через некоторое время траектория движения подспутниковой точки за сутки приобретает вид «восьмерки», вытянутой в направлении север-юг, с центром на экваторе. Через год размах этой восьмер­ки составит около ±1°. Из-за этого приходится периодически кор­ректировать положение спутника на орбите.

Спутниковая спутниковой связи…………………………………………………..4 1.1 История спутниковой связи………………………………………………….4 1.2 Организация спутникового ствола…………………………………………..5 ... административной конференции по радиосвязи (WARC-92), ...

Искусственный спутник Земли (ИСЗ) - космический летательный аппарат, вращающийся вокруг Земли по геоцентрической орбите. Для движения по орбите вокруг Земли аппарат должен иметь начальную скорость, равную или большую первой космической скорости. Полёты ИСЗ выполняются на высотах до нескольких сотен тысяч километров. Нижнюю границу высоты полёта ИСЗ обуславливает необходимость избегания процесса быстрого торможения в атмосфере. Период обращения спутника по орбите в зависимости от средней высоты полёта может составлять от полутора часов до нескольких лет. Особое значение имеют спутники на геостационарной орбите, период обращения которых строго равен суткам и поэтому для наземного наблюдателя они неподвижно «висят» на небосклоне, что позволяет избавиться от поворотных устройств в антеннах.

В соответствии с международной договорённостью космический аппарат называется спутником, если он совершил не менее одного оборота вокруг Земли. В противном случае он считается ракетным зондом, проводившим измерения вдоль баллистической траектории, и не регистрируется как спутник. В зависимости от задач, решаемых с помощью ИСЗ, их подразделяют на научно-исследовательские и прикладные. Если на спутнике установлены радиопередатчики, та или иная измерительная аппаратура, импульсные лампы для подачи световых сигналов и т. п., его называют активным. Пассивные ИСЗ предназначены обычно для наблюдений с земной поверхности при решении некоторых научных задач (к числу таких ИСЗ принадлежат спутники-баллоны, достигающие в диаметре нескольких десятков м). Научно-исследовательские ИСЗ служат для исследований Земли, небесных тел, космического пространства. К их числу относятся, в частности, геофизические спутники (См. Геофизический спутник), Геодезические спутники, орбитальные астрономические обсерватории и др. Прикладными ИСЗ являются Связи спутники, метеорологические спутники (См. Метеорологический спутник), ИСЗ для исследования земных ресурсов, навигационные спутники (См. Навигационный спутник), спутники технического назначения (для исследования воздействия космических условий на материалы, для испытаний и отработки бортовых систем) и др. ИСЗ, предназначенные для полёта людей, называются пилотируемыми кораблями-спутниками. ИСЗ на экваториальной орбите, лежащей вблизи плоскости экватора, называются экваториальными, ИСЗ на полярной (или приполярной) орбите, проходящей вблизи полюсов Земли, - полярными. ИСЗ, выведенные на круговую экваториальную орбиту, удалённую на 35860 км от поверхности Земли, и движущиеся в направлении, совпадающем с направлением вращения Земли, «висят» неподвижно над одной точкой земной поверхности; такие спутники называются стационарными.

Первый ИСЗ "Спутник".
Запущен по программе МГГ (Международный геофизический год) в период максимальной солнечной активности (1957-1958). Масса спутника 83,6 кг. Корпус - сфера диам. 0,58 м. Время существования 92 сут.

Первый ИСЗ с животным ("Спутник-2" с собакой Лайкой).
Спутник не отделялся и представлял собой всю вторую ступень - центральный блок ракеты. Масса полезного груза 503,8 кг Дата запуска 03.11.1957

Первый связной ИСЗ - активный ретранслятор ("Атлас-Скор")
англ. Atlas-Score, "Атлас" от названия ракеты-носителя и SCORE от Signal Communcations Orbit Relay Experiment - эксперимент по ретрансляции сигналов связи с орбиты. Дата запуска 18.12.1958

Первый метеорологический ИСЗ "ТИРОС-1"
("TIROS", сокр. от Television Infra-Red Observation Satellite - спутник для наблюдений с телевизионным и инфра-красным оборудованием для получения изображений облачного покрова и измерения теплового излучения Земли). Масса 120 кг. Корпус - 18-гранная призма (выс. 0,5 м, макс. поперечный разиер ~1 м) Дата запуска 01.04.1960

Первый советский ИСЗ-разведчик ("Зенит-2")
Официальное название "Космос-4". Создан на базе КС "Восток 2К". Имел спускаемую капсулу для возвращения научной аппаратуры и фотопленки на Землю. Дата запуска 26.04.1962

20. Автоматические межпланетные станции: цели и задачи их применения, примеры выполнения.

Автоматическая межпланетная станция (АМС) - беспилотный космический аппарат, предназначенный для полёта в межпланетном космическом пространстве (не по геоцентрической орбите) с выполнением различных поставленных задач. В то время как стран, имеющих околоземные спутники - несколько десятков, сложные технологии межпланетных станций освоили всего несколько стран - СССР/Россия, США, Европа/ESA, Япония, Китай, Индия. При этом к Марсу, Венере и кометам отправляли АМС только первые четыре, к астероидам - только США, Европа и Япония, к Меркурию,Урану и Нептуну - только США, к Юпитеру и Сатурну - США, из них две АМС с участием ESA. Ввиду значительной стоимости и высокой сложности межпланетных перелетов большие перспективы имеют международные проекты в этой области. К примеру, зонд нового поколения для исследования системы Юпитера планируется при совместном участии NASA, ESA, Роскосмоса и JAXA. АМС обычно предназначается для выполнения комплекса задач, начиная научно-исследовательскими проектами, и заканчивая политическими демонстрациями. Типичными объектами для исследовательских задач являются другие планеты, их естественные спутники, кометы и другие объекты Солнечной системы. При этом обычно производится фотографирование, сканирование рельефа; измеряются текущие параметры магнитного поля, радиации, температуры; химический состав атмосферы другой планеты, грунта и космического пространства вблизи планеты; проверяются сейсмические характеристики планеты. Накопленные измерения периодически передаются на Землю с помощью радиосвязи. Большинство АМС имеют двунаправленную радиосвязь с Землёй, что даёт возможность использовать их как дистанционно управляемые приборы. В данный момент в качестве канала для передачи данных используют частоты в радиодиапазоне. Исследуются перспективы применения лазеров для межпланетной связи. Большие расстояния создают существенные задержки при обмене данными, поэтому степень автоматизации АМС стремятся максимально увеличить.

Первый искусственный спутник Луны (ИСЛ "Луна-10")
Время существования 56 суток, совершил 460 оборотов вокруг Луны запуск 31.03.1966, вывод на орбиту вокруг Луны 03.04.1966

Первый искусственный спутник Марса ИСМ ("Маринер-9")
Масса КА 998 кг, в т.ч. 450 кг КТДУ, тягой 1,3 кН. Передал 7329 снимков Марса (разрешение до 0,1 м), его спутников Деймоса и Фобоса. На базе снимков составлена карта планеты и выбраны районы посадки посадочных модулей КА "Викинг-1" и "Викинг-2", которые совершили посадку на Марсе 20.07. и 04.09. 1976 на расстоянии 6400 км друг от друга. Запуск 30.05.1971; вывод на обиту вокруг Марса 14.11.1971

Первые советские искусственные спутники Марса ИСМ ("Марс-2", "Марс-3")
Масса космических аппаратов по 4650 кг, они имели орбитальные отсеки и спускаемые аппараты. ИСМ, после отделения, торможения в атмосфере, спуске и мягкой посадки СА на марсианскую поверхность, являлись ретрансляторами передачи данных от СА на Землю. ИСМ имели научную аппаратуру и по две фототелевизионных камеры с различными фокусными расстояниями для съемки поверхности Марса. Запуск 19.05 и 28.05.1971; вывод на орбиту вокруг Марса 27.11 и 02.12.1971

Первые искусственные спутники Венеры ИСВ ("Венера-9", "Венера-10").
Запуск 08.06 и 14.06.1975; вывод на орбиту вокруг Венеры 22.10 и 25.10.1975.

Первый искусственный спутник Сатурна АМС "Кассини".
Бюджет проекта более $3 млрд. С помощью этого аппарата открыто множество новых спутников Сатурна, получены уникальные фотографии самой планеты и ее спутников. Масса "Кассини" при старте составила 5710 кг, включая 320-килограммовый "Гюйгенс", 336 кг научных приборов и 3130 кг топлива. Размеры станции составляют 6,7 м в высоту и 4 м в ширину. Дата запуска 15.10.1997, вывод на орбиту Сатурна 30.06.2004 Первый искусственный спутник Меркурия "Messenger" в переводе "Посланник" - сокращение от MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry and Ranging Стартовая масса АМС MESSENGER - около 1100 кг, причем почти 600 кг (более половины всей массы) - топливо. Корпус аппарата изготовлен из композиционного графитового материала и имеет размеры 1,42×1,85×1,27 м. Мощность 450 кВт Дата запуска 17.03.2011 выход на орбиту 18.03.2011.

x

x

(ИСЗ)

космические летательные аппараты, выведенные на орбиты вокруг Земли и предназначенные для решения научных и прикладных задач. Запуск первого ИСЗ, ставшего первым искусственным небесным телом, созданным человеком, был осуществлен в СССР 4 октября 1957 и явился результатом достижений в области ракетной техники, электроники, автоматического управления, вычислительной техники, небесной механики и др. разделов науки и техники. С помощью этого ИСЗ впервые была измерена плотность верхней атмосферы (по изменениям его орбиты), исследованы особенности распространения радиосигналов в ионосфере, проверены теоретические расчёты и основные технические решения, связанные с выведением ИСЗ на орбиту. 1 февраля 1958 на орбиту был выведен первый американский ИСЗ "Эксплорер-1", а несколько позже самостоятельные запуски ИСЗ произвели и другие страны: 26 ноября 1965 - Франция (спутник "А-1"), 29 ноября 1967 - Австралия ("ВРЕСАТ-1"), 11 февраля 1970 - Япония ("Осуми"), 24 апреля 1970 - КНР ("Китай-1"), 28 октября 1971 - Великобритания ("Просперо"). Некоторые спутники, изготовленные в Канаде, Франции, Италии, Великобритании и др. странах, запускались (с 1962) с помощью американских ракет-носителей. В практике космических исследований широкое распространение получило международное сотрудничество. Так, в рамках научно-технического сотрудничества социалистических стран запущен ряд ИСЗ. Первый из них - "Интеркосмос-1" - был выведен на орбиту 14 октября 1969. Всего к 1973 запущено свыше 1300 ИСЗ различного типа, в том числе около 600 советских и свыше 700 американских и др. стран, включая пилотируемые космические корабли-спутники и орбитальные станции с экипажем.

Общие сведения об ИСЗ. В соответствии с международной договорённостью космический аппарат называется спутником, если он совершил не менее одного оборота вокруг Земли. В противном случае он считается ракетным зондом, проводившим измерения вдоль баллистической траектории, и не регистрируется как спутник. В зависимости от задач, решаемых с помощью ИСЗ, их подразделяют на научно-исследовательские и прикладные. Если на спутнике установлены радиопередатчики, та или иная измерительная аппаратура, импульсные лампы для подачи световых сигналов и т. п., его называют активным. Пассивные ИСЗ предназначены обычно для наблюдений с земной поверхности при решении некоторых научных задач (к числу таких ИСЗ принадлежат спутники-баллоны, достигающие в диаметре нескольких десятков м ). Научно-исследовательские ИСЗ служат для исследований Земли, небесных тел, космического пространства. К их числу относятся, в частности, геофизические спутники (См. ), орбитальные астрономические обсерватории и др. Прикладными ИСЗ являются и, метеорологические спутники (См. ), ИСЗ для исследования земных ресурсов, навигационные спутники (См. ), спутники технического назначения (для исследования воздействия космических условий на материалы, для испытаний и отработки бортовых систем) и др. ИСЗ, предназначенные для полёта людей, называются пилотируемыми кораблями-спутниками. ИСЗ на экваториальной орбите, лежащей вблизи плоскости экватора, называются экваториальными, ИСЗ на полярной (или приполярной) орбите, проходящей вблизи полюсов Земли, - полярными. ИСЗ, выведенные на круговую экваториальную орбиту, удалённую на 35860 км от поверхности Земли, и движущиеся в направлении, совпадающем с направлением вращения Земли, "висят" неподвижно над одной точкой земной поверхности; такие спутники называются стационарными. Последние ступени ракет-носителей, головные обтекатели и некоторые другие детали, отделяемые от ИСЗ при выводе на орбиты, представляют собой вторичные орбитальные объекты; их обычно не называют спутниками, хотя они обращаются по околоземным орбитам и в ряде случаев служат объектами наблюдений для научных целей.

В соответствии с международной системой регистрации космических объектов (ИСЗ, космических зондов (См. ) и др.) в рамках международной организации КОСПАР в 1957-1962 космические объекты обозначались годом запуска с добавлением буквы греческого алфавита, соответствующей порядковому номеру запуска в данном году, и арабской цифры - номера орбитального объекта в зависимости от его яркости или степени научной значимости. Так, 1957α2 - обозначение первого советского ИСЗ, запущенного в 1957; 1957α1 - обозначение последней ступени ракеты-носителя этого ИСЗ (ракета-носитель была более яркой). Поскольку количество запусков возрастало, начиная с 1 января 1963 космические объекты стали обозначать годом запуска, порядковым номером запуска в данном году и заглавной буквой латинского алфавита (иногда также заменяемой порядковым числом). Так, ИСЗ "Интеркосмос-1" имеет обозначение: 1969 88А или 1969 088 01. В национальных программах космических исследований серии ИСЗ часто имеют также собственные названия: "Космос" (СССР), "Эксплорер" (США), "Диадем" (Франция) и др. За рубежом слово "спутник" до 1969 использовалось только применительно к советским ИСЗ. В 1968-69 при подготовке международного многоязычного космонавтического словаря достигнута договоренность, согласно которой термин "спутник" применяется к ИСЗ, запущенным в любой стране.

В соответствии с разнообразием научных и прикладных задач, решаемых с помощью ИСЗ, спутники могут иметь различные размеры, массу, конструктивные схемы, состав бортового оборудования. Например, масса наименьшего ИСЗ (из серии "ЕРС") - всего 0,7 кг ; советский ИСЗ "Протон-4" имел массу около 17 т . Масса орбитальной станции "Салют" с пристыкованным к ней космическим кораблём "Союз" была свыше 25 т . Наибольшая масса полезного груза, выведенного на орбиту ИСЗ, составляла около 135 т (американский космический корабль "Аполлон" с последней ступенью ракеты-носителя). Различают автоматические ИСЗ (научно-исследовательские и прикладные), на которых работа всех приборов и систем управляется командами, поступающими либо с Земли, либо из бортового программного устройства, пилотируемые корабли-спутники и орбитальные станции с экипажем.

Для решения некоторых научных и прикладных задач необходимо, чтобы ИСЗ был определённым образом ориентирован в пространстве, причём вид ориентации определяется главным образом назначением ИСЗ или особенностями установленного на нём оборудования. Так, орбитальную ориентацию, при которой одна из осей постоянно направлена по вертикали, имеют ИСЗ, предназначенные для наблюдений объектов на поверхности и в атмосфере Земли; ИСЗ для астрономических исследований ориентируются на небесные объекты: звёзды, Солнце. По команде с Земли или по заданной программе ориентация может изменяться. В некоторых случаях ориентируется не весь ИСЗ, а лишь отдельные его элементы, например остронаправленные антенны - на наземные пункты, солнечные батареи - на Солнце. Для того чтобы направление некоторой оси спутника сохранялось неизменным в пространстве, ему сообщают вращение вокруг этой оси. Для ориентации используют также гравитационные, аэродинамические, магнитные системы - так называемые пассивные системы ориентации, и системы, снабженные реактивными или инерционными управляющими органами (обычно на сложных ИСЗ и космических кораблях), - активные системы ориентации. ИСЗ, имеющие реактивные двигатели для маневрирования, коррекции траектории или спуска с орбиты, снабжаются системами управления движением, составной частью которой является система ориентации.

Энергопитание бортовой аппаратуры большинства ИСЗ осуществляется от солнечных батарей, панели которых ориентируются перпендикулярно направлению солнечных лучей или расположены так, чтобы часть из них освещалась Солнцем при любом его положении относительно ИСЗ (так называемые всенаправленные солнечные батареи). Солнечные батареи обеспечивают длительную работу бортовой аппаратуры (до нескольких лет). На ИСЗ, рассчитанных на ограниченные сроки работы (до 2-3 недель), используются электрохимические источники тока - аккумуляторы, топливные элементы. Некоторые ИСЗ имеют на борту изотопные генераторы электрической энергии. Тепловой режим ИСЗ, необходимый для работы их бортовой аппаратуры, поддерживается системами терморегулирования.

В ИСЗ, отличающихся значительным тепловыделением аппаратуры, и космических кораблях применяются системы с жидкостным контуром теплопередачи; на ИСЗ с небольшим тепловыделением аппаратуры в ряде случаев ограничиваются пассивными средствами терморегулирования (выбор внешней поверхности с подходящим оптическим коэффициентом, теплоизоляции отдельных элементов).

Передача научной и другой информации с ИСЗ на Землю производится с помощью радиотелеметрических систем (часто имеющих запоминающие бортовые устройства для регистрации информации в периоды полёта ИСЗ вне зон радиовидимости наземных пунктов).

Пилотируемые корабли-спутники и некоторые автоматические ИСЗ имеют спускаемые аппараты для возвращения на Землю экипажа, отдельных приборов, плёнок, подопытных животных.

Движение ИСЗ. ИСЗ выводятся на орбиты с помощью автоматических управляемых многоступенчатых ракет-носителей, которые от старта до некоторой расчётной точки в пространстве движутся благодаря тяге, развиваемой реактивными двигателями. Этот путь, называемый траекторией выведения ИСЗ на орбиту, или активным участком движения ракеты, составляет обычно от нескольких сотен до двух-трёх тыс. км . Ракета стартует, двигаясь вертикально вверх, и проходит сквозь наиболее плотные слои земной атмосферы на сравнительно малой скорости (что сокращает энергетические затраты на преодоление сопротивления атмосферы). При подъёме ракета постепенно разворачивается, и направление её движения становится близким к горизонтальному. На этом почти горизонтальном отрезке сила тяги ракеты расходуется не на преодоление тормозящего действия сил притяжения Земли и сопротивления атмосферы, а главным образом на увеличение скорости. После достижения ракетой в конце активного участка расчётной скорости (по величине и направлению) работа реактивных двигателей прекращается; это - так называемая точка выведения ИСЗ на орбиту. Запускаемый космический аппарат, который несёт последняя ступень ракеты, автоматически отделяется от неё и начинает своё движение по некоторой орбите относительно Земли, становясь искусственным небесным телом. Его движение подчинено пассивным силам (притяжение Земли, а также Луны, Солнца и др. планет, сопротивление земной атмосферы и т. д.) и активным (управляющим) силам, если на борту космического аппарата установлены специальные реактивные двигатели. Вид начальной орбиты ИСЗ относительно Земли зависит целиком от его положения и скорости в конце активного участка движения (в момент выхода ИСЗ на орбиту) и математически рассчитывается с помощью методов небесной механики. Если эта скорость равна или превышает (но не более чем в 1,4 раза) первую космическую скорость (См. ) (около 8 км /сек у поверхности Земли), а её направление не отклоняется сильно от горизонтального, то космический аппарат выходит на орбиту спутника Земли. Точка выхода ИСЗ на орбиту в этом случае расположена вблизи перигея орбиты. Выход па орбиту возможен и в других точках орбиты, например вблизи апогея, но поскольку в этом случае орбита ИСЗ расположена ниже точки выведения, то сама точка выведения должна располагаться достаточно высоко, скорость же в конце активного участка при этом должна быть несколько меньше круговой.

В первом приближении орбита ИСЗ представляет собой эллипс с фокусом в центре Земли (в частном случае - окружность), сохраняющий неизменное положение в пространстве. Движение по такой орбите называется невозмущённым и соответствует предположениям, что Земля притягивает по закону Ньютона как шар со сферическим распределением плотности и что на спутник действует только сила притяжения Земли.

Такие факторы, как сопротивление земной атмосферы, сжатие Земли, давление солнечного излучения, притяжения Луны и Солнца, являются причиной отклонений от невозмущённого движения. Изучение этих отклонений позволяет получать новые данные о свойствах земной атмосферы, о гравитационном поле Земли. Из-за сопротивления атмосферы ИСЗ, движущиеся по орбитам с перигеем на высоте несколько сот км , постепенно снижаются и, попадая в сравнительно плотные слои атмосферы на высоте 120-130 км и ниже, разрушаются и сгорают; они имеют, таким образом, ограниченный срок существования. Так, например, первый советский ИСЗ находился в момент выхода на орбиту на высоте около 228 км над поверхностью Земли и имел почти горизонтальную скорость около 7,97 км /сек. Большая полуось его эллиптической орбиты (т. е. среднее расстояние от центра Земли) составляла около 6950 км , период обращения 96,17 мин , а наименее и наиболее удалённые точки орбиты (перигей и апогей) располагались на высотах около 228 и 947 км соответственно. Спутник существовал до 4 января 1958, когда он, вследствие возмущений его орбиты, вошёл в плотные слои атмосферы.

Орбита, на которую выводится ИСЗ сразу после участка разгона ракеты-носителя, бывает иногда лишь промежуточной. В этом случае на борту ИСЗ имеются реактивные двигатели, которые включаются в определённые моменты на короткое время по команде с Земли, сообщая ИСЗ дополнительную скорость. В результате ИСЗ переходит на другую орбиту. Автоматические межпланетные станции выводятся обычно сначала на орбиту спутника Земли, а затем переводятся непосредственно на траекторию полёта к Луне или планетам.

Наблюдения ИСЗ. Контроль движения ИСЗ и вторичных орбитальных объектов осуществляется путём наблюдений их со специальных наземных станций. По результатам таких наблюдений уточняются элементы орбит спутников и вычисляются эфемериды для предстоящих наблюдений, в том числе и для решения различных научных и прикладных задач. По используемой аппаратуре наблюдения ИСЗ разделяются на оптические, радиотехнические, лазерные; по их конечной цели - на позиционные (определение направлений на ИСЗ) и дальномерные наблюдения, измерения угловой и пространственной скорости.

Наиболее простыми позиционными наблюдениями являются визуальные (оптические), выполняемые с помощью визуальных оптических инструментов и позволяющие определять небесные координаты ИСЗ с точностью до нескольких минут дуги. Для решения научных задач ведутся фотографические наблюдения с помощью спутниковых фотокамер (См. ), обеспечивающих точность определений до 1-2"" по положению и 0,001 сек по времени. Оптические наблюдения возможны лишь в том случае, когда ИСЗ освещен солнечными лучами (исключение составляют геодезические спутники, оборудованные импульсными источниками света; они могут наблюдаться и находясь в земной тени), небо над станцией достаточно тёмное и погода благоприятствует наблюдениям. Эти условия значительно ограничивают возможность оптических наблюдений. Менее зависимы от таких условий радиотехнические методы наблюдений ИСЗ, являющиеся основными методами наблюдений спутников в период функционирования установленных на них специальных радиосистем. Такие наблюдения заключаются в приёме и анализе радиосигналов, которые либо генерируются бортовыми радиопередатчиками спутника, либо посылаются с Земли и ретранслируются спутником. Сравнение фаз сигналов, принимаемых на нескольких (минимально трёх) разнесённых антеннах, позволяет определить положение спутника на небесной сфере. Точность таких наблюдений около 3" по положению и около 0,001 сек по времени. Измерение доплеровского смещения частоты (см. ) радиосигналов даёт возможность определить относительную скорость ИСЗ, минимальное расстояние до него при наблюдавшемся прохождении и момент времени, когда спутник был на этом расстоянии; наблюдения, выполняемые одновременно из трёх пунктов, позволяют вычислить угловые скорости спутника.

Дальномерные наблюдения осуществляются путём измерения промежутка времени между посылкой радиосигнала с Земли и приёмом после ретрансляции его бортовым радиоответчиком ИСЗ. Наиболее точные измерения расстояний до ИСЗ обеспечивают лазерные дальномеры (точность до 1-2 м и выше). Для радиотехнических наблюдений пассивных космических объектов используются радиолокационные системы.

Научно-исследовательские ИСЗ. Аппаратура, устанавливаемая на борту ИСЗ, а также наблюдения ИСЗ с наземных станций позволяют проводить разнообразные геофизические, астрономические, геодезические и др. исследования. Орбиты таких ИСЗ разнообразны - от почти круговых на высоте 200-300 км до вытянутых эллиптических с высотой апогея до 500 тыс. км . К научно-исследовательским ИСЗ относятся первые советские спутники, советские ИСЗ серий " ", " ", " ", американские спутники серий "Авангард", "Эксплорер", "ОГО", "ОСО", "ОАО" (орбитальные геофизические, солнечные, астрономические обсерватории); английский ИСЗ "Ариель", французский ИСЗ "Диадем" и др. Научно-исследовательские ИСЗ составляют около половины всех запущенных ИСЗ.

С помощью научных приборов, установленных на ИСЗ, изучаются нейтральный и ионный состав верхней атмосферы, её давление и температура, а также изменения этих параметров. Концентрация электронов в ионосфере и её вариации исследуются как с помощью бортовой аппаратуры, так и по наблюдениям прохождения сквозь ионосферу радиосигналов бортовых радиомаяков. С помощью ионозондов детально изучены структура верхней части ионосферы (выше главного максимума электронной концентрации) и изменения электронной концентрации в зависимости от геомагнитной широты, времени суток и т. п. Все результаты исследований атмосферы, полученные с помощью ИСЗ, являются важным и надёжным экспериментальным материалом для понимания механизмов атмосферных процессов и для решения таких практических вопросов, как прогноз радиосвязи, прогноз состояния верхней атмосферы и т. п.

С помощью ИСЗ обнаружены и исследуются . Наряду с космическими зондами ИСЗ позволили исследовать структуру магнитосферы Земли (См. ) и характер её обтекания солнечным ветром, а также характеристики самого солнечного ветра (См. ) (плотность потока и энергию частиц, величину и характер "вмороженного" магнитного поля) и др. недоступные для наземных наблюдений излучения Солнца - ультрафиолетовое и рентгеновское, что представляет большой интерес с точки зрения понимания солнечно-земных связей. Ценные для научных исследований данные доставляют также и некоторые прикладные ИСЗ. Так, результаты наблюдений, выполняемых на метеорологических ИСЗ, широко используются для различных геофизических исследований.

Результаты наблюдений ИСЗ дают возможность с высокой точностью определять возмущения орбит ИСЗ, изменения плотности верхней атмосферы (в связи с различными проявлениями солнечной активности), законы циркуляции атмосферы, структуру гравитационного поля Земли и др. Специально организуемые позиционные и дальномерные синхронные наблюдения спутников (одновременно с нескольких станций) методами спутниковой геодезии (См. ) позволяют осуществлять геодезическую привязку пунктов, удалённых на тысячи км друг от друга, изучать движение материков и т. п.

Прикладные ИСЗ. К прикладным ИСЗ относят спутники, запускаемые для решения тех или иных технических, хозяйственных, военных задач.

Спутники связи служат для обеспечения телевизионных передач, радиотелефонной, телеграфной и др. видов связи между наземными станциями, расположенными друг от друга на расстояниях до 10-15 тыс. км . Бортовая радиоаппаратура таких ИСЗ принимает сигналы наземных радиостанций, усиливает их и ретранслирует на другие наземные радиостанции. Спутники связи выводятся на высокие орбиты (до 40 тыс. км ). К ИСЗ этого типа относятся советский ИСЗ " " , американский ИСЗ "Синком", ИСЗ "Интелсат" и др. Спутники связи, выведенные на стационарные орбиты, постоянно находятся над определёнными районами земной поверхности.

Метеорологические спутники предназначены для регулярной передачи на наземные станции телевизионных изображений облачного, снегового и ледового покровов Земли, сведений о тепловом излучении земной поверхности и облаков и т. п. ИСЗ этого типа запускаются на орбиты, близкие к круговым, с высотой от 500-600 км до 1200-1500 км ; полоса обзора с них достигает 2-3 тыс. км . К метеорологическим спутникам относятся некоторые советские ИСЗ серии "Космос", спутники " ", американские ИСЗ "Тирос", "ЭССА", "Нимбус". Проводятся эксперименты по глобальным метеорологическим наблюдениям с высот, достигающих 40 тыс. км (советский ИСЗ "Молния-1", американский ИСЗ "АТС").

Исключительно перспективными с точки зрения применения в народном хозяйстве являются спутники для исследования природных ресурсов Земли. Наряду с метеорологическими, океанографическими и гидрологическими наблюдениями такие ИСЗ позволяют получать оперативную информацию, необходимую для геологии, сельского хозяйства, рыбного промысла, лесного хозяйства, контроля загрязнений природной среды. Результаты, полученные с помощью ИСЗ и пилотируемых космических кораблей, с одной стороны, и контрольные измерения с баллонов и самолётов - с другой, показывают перспективность развития этого направления исследований.

Навигационные спутники, функционирование которых поддерживается специальной наземной системой обеспечения, служат для навигации морских кораблей, в том числе подводных. Корабль, принимая радиосигналы и определяя своё положение относительно ИСЗ, координаты которого на орбите в каждый момент известны с высокой точностью, устанавливает своё местоположение. Примером навигационных ИСЗ являются американские спутники "Транзит", "Навсат".

Пилотируемые корабли-спутники. Пилотируемые корабли-спутники и обитаемые орбитальные станции являются наиболее сложными и совершенными ИСЗ. Они, как правило, рассчитаны на решение широкого круга задач, в первую очередь - на проведение комплексных научных исследований, отработку средств космической техники, изучение природных ресурсов Земли и др. Впервые запуск пилотируемого ИСЗ осуществлен 12 апреля 1961: на советском космическом корабле-спутнике " " лётчик-космонавт Ю. А. Гагарин совершил полёт вокруг Земли по орбите с высотой апогея 327 км . 20 февраля 1962 вышел на орбиту первый американский космический корабль с космонавтом Дж. Гленном на борту. Новым шагом в исследовании космического пространства с помощью пилотируемых ИСЗ был полёт советской орбитальной станции " ", на которой в июне 1971 экипаж в составе Г. Т. Добровольского, В. Н. Волкова и В. И. Пацаева выполнил широкую программу научно-технических, медико-биологических и др. исследований.

Лит.: Александров С. Г., Федоров Р. Е., Советские спутники и космические корабли, 2 изд., М., 1961; Эльясберг П. Е., Введение в теорию полёта искусственных спутников Земли, М., 1965; Руппе Г. О., Введение в астронавтику, пер. с англ., т. 1, М., 1970; Левантовский В. И., Механика космического полёта в элементарном изложении, М., 1970; Кинг-Хили Д., Теория орбит искусственных спутников в атмосфере, пер. с англ., М., 1966; Рябов Ю. А., Движение небесных тел, М., 1962; Меллер И., Введение в спутниковую геодезию, пер. с англ., М., 1967. См. также лит. при ст. Космический летательный аппарат

Зарубежные искусственные спутники Земли. "Транзит".

Зарубежные искусственные спутники Земли. "Оскар-3".

Зарубежные искусственные спутники Земли. "ОСО-1".

Зарубежные искусственные спутники Земли. "Синком-3".

Зарубежные искусственные спутники Земли. "Эксплорер-25".