23 квітня 1965 року був запущений на високу еліптичну орбіту перший вітчизняний супутник зв'язку "Блискавка-1", який ознаменував становлення нашій країні супутникового радіозв'язку. Майже одночасно США був запущений на геостаціонарну орбіту перший супутник комерційного зв'язку Intelsat-1.
Таким чином, було реалізовано ідею різкого збільшення дальності радіозв'язку завдяки розміщенню ретранслятора високо над поверхнею Землі, що дозволило забезпечити одночасну радіовидимість розташованих у різних точках великої території радіостанцій. Перевагами систем супутникового зв'язку (СС) є велика пропускна спроможність, глобальність дії та висока якістьзв'язку.
Конфігурація систем СС залежить від типу штучного супутника Землі (ІСЗ), виду зв'язку та параметрів земних станцій. Для побудови систем СС використовуються в основному три різновиди ШСЗ(рисунок 9.1) – на високій еліптичній орбіті (ВЕО), геостаціонарній орбіті (ДСО) та низьковисотній орбіті (НПО). Кожен тип ШСЗ має свої переваги та недоліки.
Прикладом ШСЗ з ВЕО можуть бути вітчизняні супутники типу "Блискавка" з періодом обігу 12 годин, нахилом 63°, висотою апогею над північною півкулею 40 тисяч км. Рух ШСЗ в області апогею сповільнюється, при цьому тривалість радіовидимості становить 6.8 год. Перевагою даного типуШСЗ є великий розмірзони обслуговування під час охоплення більшої частини північної півкулі. Недоліком ВЕО є необхідність стеження антен за супутником, що повільно дрейфує, і їх переорієнтування з заходить супутника на висхідний.
Унікальною орбітою є ДСО - кругова орбіта з періодом обігу ШСЗ 24 години, що лежить у площині екватора, з висотою 35875 км від Землі. Орбіта синхронна з обертанням Землі, тому супутник виявляється нерухомим щодо земної поверхні. Переваги ДСО: зона обслуговування становить близько третини земної поверхні, трьох супутників достатньо майже глобального зв'язку, антени земних станцій мало потребують систем стеження. Однак у північних широтах супутник видно під малими кутами до горизонту і не видно у приполярних областях.
Площина низьковисотних орбіт нахилена до площини екватора (полярні та квазіполярні орбіти) з висотою близько 200...2000 км над поверхнею Землі. Запуск легкого ШСЗ на низьку орбіту можна здійснювати з допомогою недорогих пускових установок.
Принцип здійснення системи зв'язку з використанням штучних супутників Землі показано малюнку 9.2. Тут через а і б позначені земні станції (ЗС), між якими встановлюється зв'язок, а прямі і дотичні до поверхні Землі в точках а і б є лініями горизонту цих пунктів. Тому супутник ШСЗ 1 , що рухається орбітою MN, може одночасно спостерігатися зі станцій а і б при русі його по ділянці орбіти і . Отже, електромагнітні коливання, випромінювані антеною ЗС в точці а напрямку ІСЗ 1 , можуть бути прийняті бортової радіоапаратурою супутника і після їх посилення і перетворення по частоті направлені в бік Землі, де будуть прийняті антеною ЗС в точці б. Антени ЗС завжди мають бути орієнтовані на ШСЗ. Отже, при рухомих ШСЗ антени повинні повертатися, здійснюючи безперервне "стеження" за переміщенням супутника в просторі.
Система радіозв'язку за наявності бортової апаратури називається системою з активною ретрансляцією сигналу або системою з активним супутником.
Розглянемо структурну схему дуплексного зв'язку між ЗС, розміщеними в точках а б при активній ретрансляції сигналу (рисунок 9.3). Тут повідомлення 1 підводиться до модулятора М станції ЗС а, в результаті чого здійснюється модуляція коливань з несучою частотою f 1 . Ці коливання від передавача П підводяться до антени А а1 і випромінюються у бік ШСЗ, де приймаються бортовий антеною А ретранслятора. Потім коливання з частотою f 1 надходять на розділовий фільтр (РФ), посилюються приймачем Пр 1 перетворюються до частоти f 2 і надходять до передавача П 1 . З виходу передавача коливання із частотою f 2 через РФ підводяться до бортової антени А і випромінюються у бік Землі. Ці коливання приймаються антеною А б2 станцією ЗС б підводяться до приймача (Пр) і детектора (Діт), на виході якого виділяється повідомлення З 1 . Передача від ЗС б до станції ЗС повідомлення С 2 відбувається за частотою f 3 аналогічним чином, причому на бортовому ретрансляторі здійснюється перетворення коливань з несучою частотою f 3 коливання з частотою f 4 .
Для передачі повідомлень можна запропонувати й інший метод, коли на борту супутника радіоапаратура відсутня. У цьому випадку сигнали, надіслані з пункту А, відображаються поверхнею ШСЗ 1 у бік Землі (у тому числі і до пункту б) без попереднього посилення. Тому сигнали, прийняті станцією б, будуть значно слабкішими, ніж за наявності бортової апаратури. Як пасивні супутники можуть використовуватися як спеціальні відбивачі різної форми (у вигляді сферичних балонів, об'ємних багатогранників та інших), так і природний супутник Землі – Місяць. Пропускна здатність подібних систем зв'язку за сучасного рівня техніки не перевищує двох-трьох телефонних повідомлень.
У випадку, коли супутник ШСЗ 2 рухається по орбіті m-n (рисунок 9.2) з висотою настільки малою, що не може одночасно спостерігатися антенами станцій ЗС а і ЗС б (висота орбіти нижче точки перетину ліній горизонту і), і тому сигнал, що приймається бортовою апаратурою на ШСЗ 2 не може бути одразу переданий на станцію б. Робота системи в цьому випадку може бути побудована наступним чином: ИСЗ 2 , пролітаючи над ЗС приймає повідомлення які після посилення подаються на ботову апаратуру пам'яті (наприклад, записуються на магнітофонну стрічку). Потім коли ШСЗ 2 пролітатиме над ЗС б, включається в ботовий передавач і відбувається передача інформації, прийнятої від ЗС а. Включення передавача може здійснюватися подачею спеціального командного сигналу, що випромінюється ЗС б у момент появи ШСЗ в зоні видимості цієї станції, або за допомогою ботового програмного пристрою, що враховує швидкість руху супутника по орбіті, її висоту та відстань між станціями. Така система називається системою зв'язку з пам'яттю чи системою із затриманою ретрансляцією. Система з активною ретрансляцією сигналу в залежності від висоти орбіти та відстані між станціями може бути виконана як система з миттєвою (не затриманою) ретрансляцією сигналу (система в реальному масштабі часу) та як система із затриманою ретрансляцією.
Особливий інтерес представляє геостаціонарна орбіта – кругова орбіта, що у екваторіальній площині (i=0) і віддалена від Землі з відривом близько 36000 км. У тому випадку, коли напрям руху супутника такою орбітою збігається з напрямом обертання Землі, супутник буде нерухомим щодо наземного спостерігача (геостаціонарний супутник). Ця особливість, а також те, що ШСЗ знаходиться від Землі на великому віддаленні, призводить до наступних важливих переваг зв'язку через геостаціонарний супутник: по-перше, стають можливими передача та прийом сигналів за допомогою нерухомих антенних систем (тобто більш простих та дешевих, ніж рухомі) і, по-друге, здійснення цілодобового безперервного зв'язку на території, що дорівнює приблизно третині земної поверхні. Однак через геостаціонарний ШСЗ важко здійснювати зв'язок з приполярними районами, розташованими на широтах вище 75 º ... 78 º, так як при цьому суттєво зростають шуми на вході земних приймачів.
У нашій країні на геостаціонарну орбіту виведені супутники зв'язку типу "Райдуга" та "Обрій".
При русі ШСЗ іншими орбітами (не геостаціонарної) супутники будуть переміщатися щодо наземного спостерігача. У цьому випадку необхідні рухомі антенні пристрої і спеціальна апаратура, що забезпечує стеження і наведення антени на супутник, що рухається. Системи зв'язку з рухомими ШСЗ за відповідного вибору орбіт дозволяють забезпечити зв'язок з будь-якими районами земної кулі, зокрема і з приполярними. При використанні рухомих ШСЗ зв'язок між станціями, розміщеними в точках а і б (рисунок 9.2), може здійснюватися лише протягом часу, доки ШСЗ рухається ділянкою орбіти .
Забезпечення тривалого безперервного зв'язку при порівняно невисоких орбітах можливе лише при збільшенні числа ШСЗ (рисунок 9.4, а). У цьому випадку на кожній земній станції повинні бути встановлені дві антени (А 1 і А 2), які можуть здійснювати передачу та прийом сигналів за допомогою одного із супутників, наприклад ШСЗ 1 , що знаходиться в зоні взаємного зв'язку . Коли ШСЗ 1 виїде з цієї зони, зв'язок відбуватиметься через ШСЗ 2 за допомогою антен А 2 . При виході ШСЗ 2 із зони передача та прийом сигналів повинні здійснюватися за допомогою ШСЗ 3 та антен А 1 , спрямованих на цей супутник і так далі. Для отримання безперервного зв'язку між станціями а і б відстань між сусідніми супутниками має бути меншою за зону. Число ШСЗ за такого методу залежить від відстані між пунктами зв'язку та параметрів орбіти.
При використанні ШСЗ можна застосувати ретрансляцію сигналів не тільки через один, але через кілька супутників. При цьому у разі низьких орбіт для безперервної передачі сигналів на земних станціях необхідно мати дві антени.
На малюнку 9.4 б показані ШСЗ, що рухаються за годинниковою стрілкою по одній низькій орбіті, частина якої показана у вигляді дуги mn. Сигнал від станції через антену А 1 надходить на ШСЗ 4 і ретранслюється через ШСЗ 3 , ШСЗ 2 , ШСЗ 1 до приймальної антени А 1 станції б. Таким чином, у цьому випадку для ретрансляції сигналу використовуються антени А 1 та сегмент орбіти, що містить ШСЗ 4 - ШСЗ 1 . При виході ШСЗ 4 із зони, що лежить ліворуч від лінії горизонту , передача і прийом сигналу вестиметься через антени А 2 і сегмент, що містить ШСЗ 5 - ШСЗ 2 . Потім передача і прийом сигналів буде здійснюватися антена А 1 і сегментом, що складається з супутників ШСЗ 6 - ШСЗ 3 і так далі.
Малюнок 9.4. Система зв'язку з кількома ШСЗ
Використання ШСЗ, що рухаються по орбітах з малою висотою, спрощує апаратуру земних станцій, тому що при цьому можливе зниження посилення земних антен, потужності передавачів та робота з приймачами, що мають дещо більшу еквівалентну шумову температуру, ніж у випадку геостаціонарних супутників. Однак у цьому випадку збільшується кількість супутників, і потрібне управління рухом по орбіті.
Інший варіант використання для ретрансляції сигналів кількох ШСЗ наведено на малюнку 9.4, ст. У цьому випадку з одного з групи супутників, що рухаються по одній орбіті, наприклад ШСЗ 4 сигнал, випромінюваний А 1 станції "а", ретранслюється до геостаціонарного супутника ШСЗ г, а потім приймається антеною станції А "б". При виході ШСЗ 4 з області, що лежить ліворуч від лінії горизонту , безперервний зв'язок станції "а" з ШСЗ г здійснюватиметься через антену А 2 і ШСЗ 5 потім через А 1 і ШСЗ 6 і так далі. На станції " б " у разі досить мати лише одну антену, спрямовану на ШСЗ р.
Оскільки ШСЗ може спостерігатися з великої території на поверхні Землі, можна здійснити зв'язок між кількома ЗС через один загальний ШСЗ. І тут супутник виявляється " доступним " багатьом земним станціям, тому така система називається системою з багаторазовим доступом (МД). У системах МД можуть бути організовані як циркулярний зв'язок між станціями (передача повідомлень від однієї станції кільком станціям), так і одночасний дуплексний зв'язок між усіма ЗС, що використовують один загальний бортовий ретранслятор, розміщений на ШСЗ. Система зв'язку через ШСЗ з МД складається з кількох земних станцій, що знаходяться в зоні взаємного зв'язку через ШСЗ та використовують для зв'язку один з одним або для зв'язку однієї станції з кількома станціями у будь-яких поєднаннях загальний ретранслятор на ШСЗ (рисунок 9.5). Зазначимо, що у системі з МД може бути організована одночасна зв'язок не з усіма станціями, а лише з групою станцій. І тут доцільно використання бортових антен, мають вузькі діаграми спрямованості (велике посилення). Такі антени управляються із Землі і можуть прямувати на необхідну групу станцій. Іншим варіантом цієї системи є комутація бортової апаратури на ту чи іншу бортову антену, що має фіксований напрямок на певні точки земної поверхні. Канали зв'язку, організовані через ШСЗ між земними станціями системи МД, можна розділити на дві групи:
- постійні (закріплені) канали, призначені для зв'язку між певними земними станціями;
- непостійні (незакріплені) канали, що тимчасово організуються між різними станціями залежно від потреб споживачів.
Вочевидь, що канали першої групи дозволяють організувати негайну зв'язок у час; канали другої групи для організації зв'язку вимагають виконання певної процедури, аналогічної до тієї, яка характерна для звичайного міського телефонного зв'язку. Перш ніж здійснити передачу повідомлень каналами другої групи, необхідно: отримати відомості про наявність вільного каналу в системі (тобто отримати підтвердження доступу до системи зв'язку – в АТС це відповідає тривалому тону); набрати адресу (номер) потрібного кореспондента; переконатися, чи вільний канал до кореспондента (тобто отримати доступ до кореспондента).
Очевидно, що в системах із закріпленими каналами через те, що частина каналів у деякі інтервали часу буде використовуватися, загальна кількість каналів має бути більшою, ніж у системах із незакріпленими каналами. Таким чином системи, з незакріпленими каналами є більш ефективними, проте вони мають і недоліки: по-перше, потрібен додатково час для встановлення зв'язку (треба знайти вільний канал і за допомогою викликних та адресних сигналів здійснити необхідну комутацію) і, по-друге, можливий відмова у встановленні негайного з'єднання системи.
При будь-якому вигляді каналів зв'язку (закріплених або незакріплених) можуть бути створені багатоадресні, одноадресні та змішані повідомлення та стовбури.
При багатоадресному побудові групових повідомлень кожна земна станція випромінює один ствол, у якому передається групове повідомлення, призначене прийому всіма земними станціями. Стовбури, випромінювані всіма ЗС, пройшовши через бортовий ретранслятор, приймаються кожної ЗС. Після демодуляції з кожного ствола виділяються ті частини групових повідомлень, які призначаються тільки для цієї ЗС. Це виділення здійснюється або на підставі адреси даної станції, що передається перед повідомленням, (при незакріплених каналах), або за попередньою домовленістю про місце розміщення каналів, призначених для даної ЗС у групових повідомленнях, що передаються (при закріплених каналах).
Вочевидь, що з багатоадресному побудові групових повідомлень у ВЧ стовбурах кожна ЗС повинна приймати n-1 стволів, де n – число ЗС. Таким чином, у цьому випадку виходить порівняно простий пристрій, що передає, але істотно ускладнюється приймальне обладнання ЗС.
При одноадресній побудові для кожної ЗС формується своє групове повідомлення і свій стовбур ВЧ, в якому кожна передаюча станція займає відповідне число каналів. Таким чином, кожна станція займає певну кількість каналів у n-1 стволах, що проходять через ретранслятор, кожен з яких призначений тільки для однієї певної земної станції. У цьому випадку на кожній станції необхідно прийняти та демодулювати лише один ствол, призначений для цієї станції. Очевидно, що передавальна апаратура виходить складніше за приймальну.
При змішаній побудові стволів на кожній земній станції здійснюється багатоадресне формування стволів, а на ретрансляторі проводиться перехід від багатоадресної до одноадресної побудови стволів, тобто здійснюється перегрупування каналів. Таким чином, при змішаному побудові стволів виходить спрощення як приймального, так і передавального обладнання земних станцій, але ускладнюється апаратура ретранслятора.
Існує три основні методи поділу загального каналу зв'язку: за частотою (ЧР), у часі (ВР), і за допомогою сигналів, що розрізняються за формою (кодове поділ каналів).
Малюнок 9.6. Багатостанційний доступ із поділом за частотою (а) та за часом (б)
Багатостанційний доступ із частотним поділом (МДЧР).
У цьому випадку для кожного ствола (тобто для кожної станції) виділяється певна несуча частота (f 1 f 2 ... f n). Рознесення між парою сусідніх несучих вибирається таким, щоб було виключено можливість взаємного перекриття спектрів при модуляції (рисунок 9.6,а). Зазначимо, що найпростіше МДЧР реалізується у разі, коли у земних станціях здійснюється частотна модуляція коливань багатоканальним повідомленням із частотним поділом телефонних каналів (скорочено – система ЧР ЧМ МДЧР). Таким чином, у цій системі на вхід ретранслятора надходить складний сигнал, що є системою n модульованих за частотою гармонійних сигналів, що є несучими частотами всіх ЗС. Проходження такого складного сигналу через загальний бортовий ретранслятор, що є нелінійним пристроєм, призводить до наступних небажаних явищ:
1) виникнення перехідних перешкод;
2) придушення сигналів тих земних станцій (тобто тих стволів), рівень яких на вході ретранслятора з якихось причин (наприклад, внаслідок замирань), виявиться меншим за рівні сигналів інших станцій. Це придушення може сягати 6 дБ. Для усунення цього явища необхідні відповідний контроль та регулювання рівнів сигналів, що випромінюються з кожної земної станції. Таке регулювання може здійснюватися автоматично зіставленням прийнятих з ретранслятора рівнів сигналів різних стволів (станцій;
3) виникнення перехідних перешкод між стволами та зниження вихідної потужності ретранслятора через нелінійність амплітудної характеристики тих каскадів ретранслятора, які є спільними для всіх стволів, прийнятих із земних станцій. Зниження вихідної потужності обумовлюється появою продуктів нелінійності, куди витрачається частина потужності ретранслятора.
Перелічені явища призводять до того, що при заданому значенні перехідних шумів у телефонних каналах зі збільшенням числа земних станцій, тобто зі збільшенням числа стовбурів (несучих), що одночасно посилюються ретранслятором, доводиться знижувати число телефонних повідомлень, що передаються на кожній несучій. Звідси, що більше станцій входить у систему МДЧР, то менше телефонних повідомлень може бути передано. Розрахунки та випробування реальних систем показують, що ретранслятор, здатний пропустити на одній несучій при ЧР ЧС 700 телефонних каналів, у разі роботи 8 станцій у системі ЧР ЧМ МДЧР може пропускати 30 каналів на кожній несучій, тобто не більше 8·30 = 240 каналів (Зниження пропускної спроможності майже в 3 рази). При роботі 16 станцій у системі ЧР ЧС МДЧР на кожній несучій можна передавати не більше десяти телефонних повідомлень. Таким чином, порівняно з початковою пропускною здатністю становить 23%. Однак при такому режимі роботи при використанні статистичних особливостей телефонних повідомлень, що передаються на різних несучих, з'являються нові можливості збільшення пропускної здатності ретранслятора. Якщо під час пауз між словами, фразами та при мовчанні абонентів у такій системі придушувати випромінювання земних передавачів на несучій частоті, то це суттєво знизить навантаження ретранслятора та дозволить у 3…4 рази збільшити пропускну спроможність. Нагадаємо, що подібне придушення несучих використовується при побудові апаратури частотного поділу: на виході індивідуальних перетворювачів рівень коливань з частотами, що піднесуть, прагнуть зробити можливо меншим.
Метод МДЧР з придушенням несучих використаний у системі "Спейд", що реалізована в міжнародній системі "Інтелсат". У цій системі кожне телефонне повідомлення перетворюється на восьмирозрядний сигнал ІКМ (64 кбіт/с) і передається на окрему ВЧ, що несе методом чотирифазної ФМ. Смуга частот, що займає один телефонний канал, становить 38 кГц, захисний інтервал Δf зах = 7 кГц (рисунок 9.6,а). Система, що описується, забезпечує передачу в одному стволі шириною 36 МГц 800 незакріплених каналів.
У вітчизняній апаратурі "Градієнт Н" також використовується МДЧР, при якому кожне телефонне повідомлення передається на окрему несучу шляхом ЧС з піковою девіацією частоти, що відповідає вимірювальному рівню, що дорівнює 30 кГц. Число несучих частот у стовбурі становить 200, рознесення між сусідніми несучими дорівнює 160 кГц. У вітчизняній апаратурі "Група" кількість несучих становить 24; рознесення з-поміж них 1.35 МГц. Частотна модуляція в цьому варіанті апаратури здійснюється стандартною 12-канальною групою (спектр 12.60 кГц) з ефективною девіацією частоти 125 кГц. Таким чином, число телефонних повідомлень, що передаються, становить 24·12 = 288.
Багатостанційний доступ із тимчасовим поділом (МДВР).
У разі робота земних станцій через ретранслятор здійснюється по черзі. Тому всі станції можуть працювати на одній частоті, що несе, і повинні мати загальну систему синхронізації, що забезпечує строго почергові включення і вимикання передавачів.
На малюнку 9.6,б наведено цикл роботи системи МДВР, що складається з трьох станцій - 1,2 і 3. Протягом інтервалів часу τ, які називаються кадрами станцій, кожна станція випромінює коливання несучої частоти, модульовані повідомленням, що надходить від апаратури поділу; через τ 3 позначений захисний інтервал часу, що запобігає одночасному включенню двох наземних станцій, а через Т ц - цикл передачі. Описаний варіант відноситься до випадку синхронної роботи наземних станцій. Система синхронізації, яка може здійснюватися за пілот-тоном, має враховувати відмінність відстаней між ШСЗ та окремими земними станціями. Зазвичай системи з МДВР працюють з геостаціонарними ШСЗ, оскільки здійснити синхронізацію при використанні рухомих ШСЗ складно, тому що в цьому випадку відстані між ШСЗ та земними станціями будуть змінними. У разі МДВР найбільш доцільним варіантом є використання ІКМ з фазовою модуляцією несучою (скорочено – ІКМ ФМ МДЧР). На малюнку 9.7 як приклад наведено докладний цикл роботи системи МДВР. З малюнка випливає, що протягом кожного кадру зі станцій передаються як повідомлення, що йдуть телефонними і службовими каналами зв'язку, а й кілька спеціальних сигналів. До них відносяться: сигнали синхронізації, виклику та комутації (СВіК), сигнали адрес (СА) та пілот-сигнал (ПС). Зазначимо, що СВіК складається з сигналу синхронізації опорних генераторів при когерентному прийомі (СГКП), сигналу циклової синхронізації (ЦС), сигналу, необхідного в системах з ІКМ для тактової синхронізації (ТС), та сигналів, що забезпечують виклик абонентів та комутацію ланцюгів (ВІК) .
Інформаційна частина кадру становить близько 85…90 % повної довжини кадру.
Системи з МДВР у порівнянні з МДЧР мають ряд переваг:
1) імпульсна потужність передавального пристрою даної станції залежить від умов роботи інших станцій і вимагає регулювань, оскільки взаємне придушення сигналів відсутня;
2) всі земні передавальні станції можуть працювати на одній несучій частоті, а приймальні - на іншій, що спрощує побудову станцій;
3) передавач ретранслятора працює у режимі максимальної потужності; при цьому відсутні взаємні перешкоди між сигналами, що ретранслюються.
До недоліків систем з МДВР можна віднести складність системи синхронізації станцій та виникнення перешкод у разі порушення синхронізації роботи хоча б однієї станції.
Порівняння різних видів МД за пропускною здатністю при заданому значенні шумів на виході каналів та обмеженої потужності ретранслятора показує, що МДВР має явні переваги перед МДЧР.
Принцип МДВР реалізований у вітчизняній апаратурі МДВУ-40, що дозволяє здійснити швидкість передачі цифрового потоку в стволі ШСЗ, що дорівнює 40 Мбіт/с. У цій системі використовується ОФМ-4.
9.2. Особливості передачі сигналів у космічному просторі
Запізнення сигналу.
Велика протяжність лінії зв'язку між земними станціями та ретранслятором, що знаходяться на борту ШСЗ, призводить до запізнення сигналів. Це визначається тим, що для проходження відстані , м сигналу потрібен час:
де – протяжність лінії зв'язку від ЗС, що у точці " а " , через ІЗС до ЗС, що у точці " б " (рисунок 4.1.2); с = 3 · 10 8 м / с - швидкість світла; Н – відстань від супутника до Землі. Звідси випливає, що з Н = 36000 км (тобто разі геостаціонарного супутника) величина запізнення становитиме приблизно 250 мс. Запізнення сигналу під час передачі дуплексних телефонних розмов призводить до появи вимушених пауз у розмові, втрати " контакту " між абонентами, тобто обмежує природність розмови .
Відлуння.
Запізнення сигналів призводить до появи помітних для абонентів ехосигналів, що виникають під час переходу з чотирипровідних ланцюгів зв'язку на двопровідні через неідеальність диференціальних систем. Відлуння сигнали проявляються у вигляді прослуховування абонентом своєї розмови, затриманого на час, що дорівнює подвоєному часу поширення сигналу між абонентами. З урахуванням (9.1)
Особливо помітні ехосигнали при великих значеннях t луни. Для систем зв'язку, що використовують супутники, що рухаються орбітами з км (тобто для геостаціонарних супутників) t луна ≈ 500 мс. У цих випадках слід забезпечити загасання ехосигналів до величини, що дорівнює приблизно 60 дБ щодо рівня корисного сигналу. Необхідне згасання ехосигналів здійснюється за допомогою егозагороджувачів.
Ефект Доплера.
Однією з особливостей систем зв'язку через ШСЗ є виникнення ефекту Доплера, що викликається рух супутника щодо ЗС Позначимо через ν r ту компоненту швидкості руху ШСЗ, яка збігається з лінією радіозв'язку ШСЗ – ЗС та умовимося вважати величину ν r негативною у разі зменшення відстані між ШСЗ та ЗС та позитивною при збільшенні цієї відстані .
Відомо, що при русі джерела сигналу зі швидкістю ± ν r частота коливань f пов'язана з частотою випромінюваних коливань f 0 співвідношенням
. (9.3)
Тут з – швидкість світла.
Зазвичай завжди виконується умова r/c<< 1, поэтому при движении источника сигнала в сторону приемника
. Звідси зміна частоти, спричинена ефектом Доплера
Найбільш сильно ефект Доплера виявлятиметься в системах зв'язку, що використовують не геостаціонарні орбіти (у системі "Блискавка" на робочій ділянці орбіти). У системах зв'язку з геостаціонарними ШСЗ ефект Доплера може мати місце під час корекції положення супутника на орбіті.
Зазначимо, що відповідно (9.4) ефект призводить не тільки до зміни частоти випромінюваних коливань, а отже, і несучої частоти, але і викликає деформацію спектра повідомлення, що передається. Так, якщо модуляція здійснювалася коливанням із частотою F, прийняте коливання на виході детектора з урахуванням ефекту Доплера матиме частоту 
. Тому при модуляції коливаннями з частотами F 1 = 1 кГц і F 2 = 10 4 кГц на виході детектора отримаємо відповідно частоти Гц і Гц. Звідси випливає, по-перше, що верхні частоти в спектрі повідомлення будуть змінюватися на велику величину, а по-друге, що ширина спектра прийнятого коливання відрізнятиметься від ширини спектра коливань, що модулюють (у наведеному прикладі майже на 100 Гц).
Діапазони робочих частот систем зв'язку через ШСЗ. Вибір смуг частот, виділених до роботи систем зв'язку через ШСЗ, визначається такими основними умовами:
особливостями поширення електромагнітних коливань через атмосферу;
інтенсивністю шумів, викликаних радіовипромінюваннями різних зовнішніх джерел (Сонце, Місяця, планет, атмосфери Землі та інших);
можливістю роботи систем зв'язку через ШСЗ у смужках частот, що виділяються спільно з іншими радіослужбами при допустимих значеннях радіоперешкод.
Відповідно до регламенту радіозв'язку, для району 1 (Європа, РФ, МНР, Африка) фіксованою супутниковою службою, до якої належать системи зв'язку через ШСЗ, відводяться такі смуги частот (в діапазоні до 40 ГГц):
передачі повідомлень на ділянці повідомлень Земля–ИСЗ 5.725…7.075; 7.9…8.4; 12.5 ... 13.25; 14.0 ... 14.8; 27.5 ... 31.0 ГГц;
передачі повідомлень на ділянці повідомлень 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.
Слід зазначити, що найкращими смугами частот для систем зв'язку через ШСЗ є частоти діапазоні 2…8 ГГц.
Сигнал на вході приймальних пристроїв. Потужність сигналу на вході приймача може бути визначена за формулою:
. (9.5)
Тут А ∑ – сумарне послаблення сигналу ділянці між антенами; V(t) – множник ослаблення, що не перевищується протягом t (%) часу; А п і А пр – характеризують відповідно згасання (ослаблення) сигналу у фільтрах, що стоять між виходом передавача та антеною, і виходом приймача та антеною; K підлога – величина поляризаційних втрат, обумовлених як ідентичності поляризаційних характеристик антен, і зміною площині поляризації, викликаним ефектом Фарадея.
Практикум.
Знайти потужність сигналу на вході приймача наземної станції за: Р пер =15 Вт; G пер =25 дБ; G пр = 47дб; f пер =30 ГГц. Втрати енергії в тропосфері А = 190 дБ, поляризаційні втрати К підлогу = 7 дБ. Супутник геостаціонарний.
Для розв'язання подібних завдань використовуйте формулу (9.5), за умови, що V=1, втрати Ап та Апр відсутні. Усі величини підставляються у формулу в одиницях.
Величина А ∑ визначається ослабленнями сигналу у вільному просторі А св0 та поглинанням в атмосфері при куті піднесення β у разі відсутності опадів А а (β). таким чином,
. (9.6)
Величина А а (β) η залежить від довжини шляху радіохвиль в атмосфері, яку можна характеризувати кутом піднесення β. Шлях, а отже, і поглинання будуть мінімальними при ? .
Для розрахунку А а (β) μогут бути використані криві, наведені на малюнку 9.8, де по осі абсцис відкладено величину ослаблення а а (β), δБ, тобто а а = 10 lg А а (β).
Множник ослаблення у системах зв'язку через ШСЗ.
Множник ослаблення V 2 (t) визначається лише поглинанням електромагнітної енергії в осадах (дощі, хмари та тумани):
. (9.7)
Тут а g – погонне ослаблення сигналу, дБ, на трасі завдовжки 1 км; R g – довжина траси, км, де спостерігаються опади. Розмір а g для дощів різної інтенсивності визначається за графіками.
Величина R g , що входить (9.7), визначає довжину траси, на якій коефіцієнт ослаблення а g приблизно постійний. Для вертикальних трас (β=90º) можна вважати величину R g = 3…4 км, для горизонтальних (β=0º) – величина R g залежить від інтенсивності опадів. При інтенсивності опадів 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 нижче 8 ГГц величина д буде мала, тому відповідно до (9.7) отримаємо V 2 (t) =1. Таким чином, в системах зв'язку через ШСЗ на частотах нижче 8 ГГц завмирання можна не враховувати. Це є важливою перевагою цих систем зв'язку порівняно із системами РРЛ та ТРЛ.
Величина До підлога, що входить до (9.5), буде визначатися тільки розбіжністю поляризаційних характеристик приймальної та передавальної антен. Для запобігання різкому зменшенню величини К підлогу в системах зв'язку через ШСЗ часто використовуються антени з круговою поляризацією, яка при неточному виготовленні антен може перейти в еліптичну. При використанні на передачі та прийомі антен з однаковою поляризацією (лінійною або круговою) можна отримати величину К підлогу = 1. У випадку, якщо обидві антени мають лінійну поляризацію у взаємно ортогональних площинах, тобто якщо одна антена розрахована на коливання з горизонтальною поляризацією, а інша – з вертикальною, величина К підлогу = 0, тобто зв'язок між антенами відсутня. Якщо одна з антен має кругову поляризацію, а інша - лінійну, величина К підлога = 0.5, що відповідає зменшенню прийнятої потужності в 2 рази.
Шуми на вході приймальних пристроїв.
У супутникових системах зв'язку на відміну РРЛ прямої видимості використовуються приймальні пристрої з значно меншими власними шумами. Тому сумарна потужність шумів, віднесених до входу приймального пристрою, визначається як величиною власних теплових шумів приймача Р т.вх, так і інтенсивністю шумів різних джерел та ланцюгів, зовнішніх по відношенню до приймача. До зовнішніх джерел шумів можуть бути віднесені: радіовипромінювання атмосфери, шуми Землі та антени, а також теплові шуми, що створюються різними ланцюгами, підключеними до входу приймача (фідерами, фільтрами тощо). Крім того, значний рівень шумів на вході приймача може створюватися позаземними джерелами – радіовипромінюваннями Сонця, Місяця, планет та космічними джерелами радіовипромінювання. Таким чином, сумарна потужність шумів, віднесена до входу приймачів,
Тут Р т.вх - потужність власних шумів приймача; Р Ф - потужність шумів, створюваних фідером та іншими ланцюгами, віднесена до входу приймача; Р А – потужність шумів антени з урахуванням теплових шумів атмосфери та шумів Землі, віднесена до входу антени; Р к - потужність шумів, створюваних радіовипромінюванням Сонця, Місяця, планет та космічними джерелами, віднесених до входу антени; η – ККД фідера та фільтрів; що знаходяться між входом антени та входом приймача.
Враховуючи, що потужність шумів пов'язана з еквівалентною шумовою температурою Т е залежністю
Р ш = kТ е · П е, (9.9)
Де k – постійна Больцмана, а П е – ширина смуги пропускання приймача, вираз (4.2.8) можна переписати як
Розглянемо визначення величин, що входять до (9.10). Власні шуми приймача, віднесені до входу, прийнято характеризувати коефіцієнтом шуму Ш або еквівалентної шумової температурою Т е.пр. Ці параметри пов'язані з співвідношенням
Т е.пр = Т 0 (Ш-1),
де Т0 = 290 До.
Величини Т е.пр і Ш визначаються переважно параметрами перших каскадів приймача . Приймальні пристрої з малошумними вхідними підсилювачами виявляються складними у виготовленні та експлуатації. Тому вибору приймального пристрою, наприклад, з квантово-механічним вхідним підсилювачем має передувати ретельне техніко-економічне зіставлення цього варіанта побудови приймального пристрою з іншими можливими варіантами. Поряд з цим вибір схеми вхідного пристрою приймача повинен визначатися виграшем у величині сумарних шумів. Так порівняння квантових і параметричних підсилювачів показує безумовну перевагу перших шумових характеристик. Однак квантові підсилювачі вимагають наявності дорожчих кріогенних установок з рідким гелієм; крім того, вони конструктивно складніші через необхідність створення постійного магнітного поля. По посиленню та ширині смуги частот обидва підсилювачі приблизно рівноцінні. Якщо фідер (або додатковий елемент), що знаходиться при температурі Т ф = 290º К, має загасання 0.1 дБ (η=0.977), еквівалентна шумова температура, віднесена до його виходу (тобто до входу приймача), Т е.ф = 6.7 К. Таким чином, кожна десята частина децибела загасання фідера (додаткового елемента) буде призводити до збільшення сумарної температури, віднесеної до входу приймача, приблизно на 7 К. Звідси випливає доцільність скорочення довжини фідера між опромінювачем антени і приймачем, тобто встановлення вхідних підсилювачів приймача безпосередньо поблизу опромінювачів антени.
Еквівалентна шумова температура антени визначається впливом на неї теплового випромінювання Землі, теплового випромінювання атмосфери та власними шумами антени, спричиненими втратами в її елементах. Зазвичай, ці втрати дуже малі і тому власні шуми антени можна не враховувати. Отже, еквівалентна температура антени, перерахована до її входу,
, (9.11)
β – кут піднесення; Т е.з, Т е.а – відповідно еквівалентні температури Землі та атмосфери, віднесені до входу антени.
На малюнку 9.9 показані криві, які визначають залежність еквівалентної температури атмосфери, наведеної до антени Т е.а від частоти f та кута піднесення β. На цьому ж графіку показані приблизні межі зміни еквівалентної температури космічних шумів.
Малюнок 9.9. Залежність еквівалентної шумової температури космічних джерел та атмосфери від частоти та кута піднесення.
Розгляд кривих малюнка 9.9 показує, що при зменшенні β величина Т е.а зростає настільки швидко, що використання величини 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.
Криві (рисунок 9.9) належать до нормального стану атмосфери за відсутності опадів; у разі опадів Т е.а збільшується. На малюнку 9.10 наведено результати експериментів на частоті 6 ГГц за різної інтенсивності опадів. Крива 2 збігається із залежністю Т е.а від кута β, показаної на малюнку 9.9 для 6 ГГц.
Малюнок 9.10 – Шумова температура атмосфери: 1 – дощ 6.35 мм/г; 2 – дощові хмари, дощу немає; водяна пара 5г/см 3
Розглянемо визначення еквівалентної температури Землі, що віднесена до входу антени Т е.з. У системах зв'язку через ШСЗ використовуються наземні антени з великим коефіцієнтом посилення, що мають ширину діаграми спрямованості близько одного градуса або менше. Такі антени, як випливає з малюнку 9.9, зменшення еквівалентної температури шумів атмосфери використовуються при β > 5…7º. тому можна вважати, що радіовипромінювання Землі (шуми Землі) будуть прийматися тільки через бічні пелюстки діаграми спрямованості наземної антени. Це можна пояснити з допомогою кривих малюнка 9.10. На малюнку показана залежність шумової температури антени на частоті 2 ГГц від кута піднесення при двох варіантах опромінення дзеркала (відбивача) антени і наведені відносні величини шумів, що припадають на головну пелюсток діаграми та бічні пелюстки передньої та задньої півсфер. Найбільша "вага" мають шуми, що приходять по бічних пелюстках, і саме ці шуми визначають рівень власних шумів антени. Ці шуми значною мірою залежать від методу опромінення дзеркала антени: при більш різкому спаданні опромінення до країв антени бічні пелюстки виходять меншими і, як наслідок, зменшується шумова температура. Слід зазначити, що одночасно з цим погіршується використання поверхні антени, що призводить до зниження коефіцієнта посилення при постійних розмірах дзеркала антени.
Оскільки на практиці спадання опромінення до країв дзеркала зазвичай відповідає 10 дБ, відповідно до малюнка 9.11 можна приблизно вважати, що за рахунок бічних пелюсток еквівалентна температура Землі (К), віднесена до входу земної антени,
Тут β визначає кут піднесення у градусах.
|
|
|
Таким чином, згідно з формулами (9.11) та (9.12) для приймальної антени земної станції
де Т э.а (β) визначається за кривими малюнку 9.9 для заданого значення β і частоти f.
Для бортових антен супутників зв'язку, орієнтованих Землю, вважатимуться, що Ω А > Ω з, а Т з >Т; тут Ω А тілесний кут головної пелюстки діаграми спрямованості бортової антени (стерад); Ω з – тілесний кут Землі, що "спостерігається" з борту супутника (стерад); Т з = 290 º - еквівалентна температура Землі; Т – еквівалентна температура середовища та найближчих предметів, що оточують бортову антену. Враховуючи, що, крім випромінювання Землі, на бортову антену впливатиме випромінювання атмосфери, що оточує Землю, отримаємо
Тут величина Т э.а (90º) визначається кривою малюнок 9.9 для значення β=90º і частоти f.
Для характеристики радіовипромінювань космічних джерел зазвичай використовуватися поняття яскравості Т джерела, яка визначається як температура абсолютно чорного тіла (К), що має на даній частоті і в даному напрямку таку ж яскравість, як аналізований джерело.
У тому випадку, коли температура довкілляу різних напрямках від антени неоднакова і характеризується температурою яскравості Т я (β 0 ,ψ 0), де β 0 ,ψ 0 – координати у сферичній системі, для визначення Т е.к необхідно помножити величину Т я (β 0 ,ψ 0) на посилення антени у відповідних напрямках G(β 0 ,ψ 0) та усереднити по всій сфері. Таким чином, на практиці часто зустрічаються такі два випадки:
1. Величина Т я (β 0 ,ψ 0) постійна або мало змінюється в межах головної пелюстки діаграми спрямованості антени, а випромінюванням, що приймаються бічними пелюстками, можна знехтувати. Це стосується випадку, коли Ω і >Ω A , де Ω A – ширина діаграми спрямованості антени. І тут Т ек =Т я.
2. Кутовий розмір джерел випромінювання Ω і малий у порівнянні з шириною діаграми спрямованості антени Ω A (тобто Ω і< Ω з). При этом можно считать, что в пределах Ω и усиление G (β 0 ,ψ 0) = G max и потому
. (9.15)
Залежність Т ср для Сонця та різних планет від довжини хвилі наведена на малюнку 9.12
Величина кутового діаметра Сонця для "земного" спостерігача становить , а кутовий діаметр Місяця в перигеї та апогеї – відповідно і тому ймовірність направлення приймальної антени точно на ту чи іншу планету виявляється малою, проте з цим, а також з можливістю прийому випромінювання бічними пелюстками діаграми спрямованості антен слід вважатися.
Усереднена температура фонового випромінювання космосу, віднесена до входу антени, наведена у вигляді двох штрихових ліній на малюнку 9.9. Верхня пряма характеризує максимальне, а нижня мінімальне значення температури.
З викладеного випливає, сто розрахунок величини Т ек, що входить у вираз (4.2.10), виконується відповідно до виразів (9.15), та графіками, що характеризують , наведеними на малюнку 9.9. У тому випадку, коли приймальна антена не спрямована на Сонце, Місяць, планети та дискретні космічні джерела, величина
Т ек = , (9.16)
причому визначається відповідно до малюнку 9.9.
9.3. Особливості апаратури
Передавальні пристрої земних станцій.
Ці пристрої аналогічні передавальним пристроям тропосферних ліній зв'язку. Частотна або фазова модуляція коливань здійснюється методами, що використовуються в РРЛ прямої видимості та в тропосферних лініях зв'язку.
На малюнку 9.13 наведено структурну схему передавальної частини апаратури "Градієнт", яка працює в смузі частот 5975...6225 МГц і встановлюється на кожен ствол земної станції (ЗС). Повідомлення (багатоканальний телефонний сигнал або телевізійний сигнал спільно зі звуковим повідомленням) подаються на вхід (Вх) модулятора (М). Тут здійснюється частотна модуляція коливань проміжної частоти, що надходять до перетворювачів ПР. На виході ПР виходять ЧС коливання у вище смузі частот потужністю 3 Вт. Подальші посилення (до 3 або 10 кВт) здійснюється у потужних підсилювачах (МУ) на клістронах з ККД не менше 25%. Виходи МУ підключені до перемикача Пк, за допомогою якого можна підключити до пристрою додавання (УС) перший або другий комплект ПР і МУ і здійснити тим самим резервування цих блоків (час перемикання на резерв не більше 200 мс). Зазначимо, що за допомогою УС до антеної системи можна підключити кілька таких комплектів апаратури, тобто здійснити передачу через одну антену декількох стволів, кожен з яких займає півсу 34 МГц. Контроль над роботою здійснюється блоками До.
Малюнок 9.13. Структурна схема передавального пристрою "Градієнт"
Передавальні пристрої систем зв'язку через ШСЗ відрізняються від передавальних пристроїв інших систем зв'язку, розглянутих у попередніх розділах тим, що в них здійснюється обмеження потужності та вводяться спеціальні сигнали дисперсії.
Приймальні пристрої земних станцій.
Однією з основних особливостей приймальних пристроїв земних станцій є застосування малошумливих підсилювачів на вході та антен з великим коефіцієнтом посилення, що досягає 52…60 дБ.
Розглянемо структурну схему приймального пристрою "Орбіта-2" (рисунок 9.14), розрахованого до роботи у смузі частот 3400…3900 МГц. Коливання, що приймаються антеною, проходять перемикач комплектів П і надходять на вхід одного з малошумливих параметричних підсилювачів (МШУ), а потім - на вхід перетворювача і попереднього підсилювача ПЧ (ПР; ПУПЧ). З виходу ПУПЧ коливання надходять на основний УПЧ і частотний детектор, що у стійці П (Ст. П). На виході цієї стійки залежно від виду сигналу можна отримати або багатоканальне телефонне повідомлення, або сигнал зображення спільно зі звуковим супроводом. Поділ останніх здійснюється фільтром Ф. На малюнку 9.14 показано, що МШУ, ПР і ПУПЧ повністю резервовані, перехід на резерв здійснюється автоматично перемикачем за допомогою апаратури контролю і резервування (КР) протягом 250 мс. Основними параметрами описаного приймального пристрою є ефективна шумова температура, віднесена до входу - 80 ... 90 К; коефіцієнти посилення; МШУ – 40 дБ, ПУПЧ – 23 дБ, основного УПЧ – 55 дБ. Система АРУ підтримує вихідний рівень ПЧ з точністю ±1 дБ за зміни вхідного рівня на ±10 дБ; смуга тракту ПЧ за рівнем 1 дБ – 34 МГц, смуга МШУ за рівнем 1 дБ – 250 МГц.
Малюнок 9.14. Структурна схема приймального пристрою "Орбіта-2"
Апаратура "Орбіта-2" дозволяє створювати і багатоствольний варіант прийому; для цього з виходів МШУ, показаних на малюнку 9.14, коливання подаються на кілька блоків ПР, що паралельно включаються; ПУПЧ.
Антени.
У приймальних та передавальних пристроях використовуються антенні системи з посиленням 50…60 дБ та малими бічними пелюстками – рупорно-параболічні та параболічні антени з перевипромінювачем (антени Кассегрена). Поряд з цим антенна система повинна забезпечувати безперервне стеження за рухом ШСЗ. Це необхідно навіть при використанні геостаціонарних ШСЗ, тому що через неточності виведення на орбіту вони мають деяке переміщення та вимагають корекції руху. Зазначимо, що сучасні вимоги визначають припустиме усунення геостаціонарних ШСЗ на ±0.1 щодо номінального значення довготи. Тому антенні системи з вузькою діаграмою спрямованості повинні бути забезпечені відповідними поворотними пристроями, які забезпечують переміщення антени в просторі або за попередньо складеною програмою, або за допомогою спеціальної системи стеження за максимальним значенням сигналу, що приймається з ШСЗ. Другий спосіб може бути безпосередньо реалізований тільки на приймальних антенах, від яких дані, що характеризують напрямок приймальної антени на супутник, можуть бути передані на систему, що керує рухом антени, що передає. При передачі цих даних до них вносяться відповідні поправки, що враховують як деякий територіальний рознесення приймальної та передавальної антен, так і їхню конструктивну неідентичність.
Бортова приймальна апаратура.
Однією з основних вимог, що пред'являються всім комплексам, що входять до складу бортової апаратури ШСЗ, є їх висока надійність, що забезпечує безвідмовну роботу апаратури в умовах космічного простору протягом тривалого часу. Цій вимогі повинні відповідати як окремі деталі і компоненти, що входять до складу апаратури, а й технологічні прийоми, використовувані під час виготовлення апаратури. Вибір варіанта схеми бортового обладнання повинен визначатися мінімальними масою, розмірами, споживаною потужністю.
На малюнку 9.15 наведено структурну схему прийомопередавача системи зв'язку "Блискавка-1" . Прийом та передача сигналів здійснюється загальною антеною А, яка через розгалужувач Р 1 та фільтри Ф 1 і Ф 2 приєднується до входу приймачів та виходу передавачів. Сигнали з несучими частотами f 1 і f 2 прийняті з земних станцій, надходять до розгалужувача Р 2 (рисунок 9.15) і через фільтри Ф 3 і Ф 4 підводяться до змішувачів См, УПЧ і обмежувачам Огр. Після вирівнювання обмежувачами амплітуд прийнятих сигналів останні подаються до змішувачів, в яких здійснюється перетворення проміжної частоти НВЧ. Потім сигнали з несучими частотами f 2 і f 4 через фільтри Ф 5 і Ф 6 і розгалужувач Р 3 підводяться до двокаскадного підсилювача ЛБВ. Охолодження ЛБВ здійснюється рідиною, яка проходить через зовнішні радіатори, що випромінюють тепло у космічний простір.
Малюнок 9.15. Структурна схема ретранслятора "Блискавка-1"
Для забезпечення тривалої роботи та підвищення надійності бортової приймально-передавальної станції використовуються холодне резервування комплектів апаратури та автоматична система перевірки, що складається з імітатора коливань з несучою частотою земних станцій (ІНЗ), контрольно-вимірювального пристрою (КВУ), програмно-часового пристрою (ПВУ) та комутатора комплексів (КК) При виявленні несправного комплекту він замінюється одним із двох резервних.
До основних характеристик ретранслятора системи зв'язку "Блискавка-1" відносяться: діапазон частот - 800 ... 1000 МГц; ширина діаграми спрямованості бортової антени за рівнем половинної потужності – 22 º; потужність бортових передавачів при передачі телевізійного сигналу 40 Вт, при дуплексній передачі телефонних розмов по 14 Вт у кожному високочастотному стволі (на частоті f 2 і f 4); рух ШСЗ - по еліптичній орбіті з апогею близько 40000 км у північній півкулі, перигеєм близько 500 км і нахилом орбіти близько 65 º; період звернення ШСЗ - 12 годин.
У 1972 році було запущено ШСЗ "Блискавка-2" з модернізованим ретранслятором, передавачі якого працюють у діапазоні 4 ГГц.
Контрольні питання:
1. Перерахуйте переваги систем супутникового зв'язку.
2. Дайте визначення геостаціонарної орбіти.
3. Поясніть принцип зв'язку з використанням штучних супутників землі
4. Яка система є системою зв'язку із затриманою ретрансляцією?
5. Охарактеризуйте систему з багаторазовим доступом.
6. Поясніть принцип багатоадресної побудови стволів.
7. Поясніть принцип багатостанційного доступу із частотним поділом.
8. Поясніть принцип багатостанційного доступу з тимчасовим розподілом.
9. Що призводить до запізнювання сигналів?
10. У чому виявляються ехосигнали для абонентів?
11. Чому виникає ефект Доплера?
12. Чим визначається вибір смуг частот, виділених до роботи систем зв'язку через ШСЗ?
13. Як визначається потужність сигналу на вході приймача?
14. Наведіть формулу сумарної потужності шумів, що віднесена до входу приймачів?
15. Наведіть структурну схему передавального пристрою "Градієнт".
16. Перерахуйте основні характеристики ретранслятора системи зв'язку "Блискавка-1".
( ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ)
Гуманітарний факультет.
Реферат на тему:
«Особливості штучних супутників землі з прикладу супутникових систем зв'язку.»
Виконала: студентка групи 10-202 Добротіна О.Г.
Москва 2001 р.
План
I. Вступ
II. Перший штучний супутник Землі
ІІІ. Системи зв'язку ШСЗ
IV. Висновок
I . ВСТУП
Стрімкий розвиток космонавтики, успіхи у вивченні та дослідженні навколоземного та міжпланетного космічного простору величезною мірою розширили наші уявлення про Сонце та Місяць, про Марса, Венера та інші планети. Дуже результативним виявилося вивчення верхніх верств атмосфери, іоносфери, магнітосфери. Водночас виявилася дуже висока ефективність використання навколоземного космосу та космічної техніки на користь багатьох наук про Землю. .
Використання штучних супутників Землі для зв'язку та телебачення, оперативного та довгострокового прогнозування погоди та гідрометеорологічної обстановки, для навігації на морських шляхах та авіаційних трасах, для високоточної геодезії, вивчення природних ресурсів Землі та контролю довкілля стає все більш звичним. У найближчій і більш віддаленій перспективі різнобічне використання космосу і космічної техніки, у різних галузях господарства значно зросте.
Для нашої ери характерне величезне зростання інформації у всіх сферах діяльності людини. Крім прогресуючого розвитку традиційних засобів передачі-телефонії, телеграфії, радіомовлення, виникла потреба у створенні нових її видів - телебачення, обміну даними в автоматичних системах управління та ЕОМ, передачі матриць для друкування газет.
Глобальний характер різних господарських проблем та наукових досліджень, широка міждержавна інтеграція та кооперація у виробництві, торгівлі; науково-дослідної діяльності, розширення обміну в галузі культури призвели до значного зростання міжнародних та міжконтинентальних зв'язків, включаючи обмін телевізійними програмами.
Традиційні засоби зв'язку щодо їх видів, обсягу, дальності, оперативності та надійності передачі будуть безперервно вдосконалюватися. Проте розвиток їх зустрічає чималі труднощі як технічного, і економічного характеру. Вже тепер ясно, що вимоги до пропускної здатності, якості, надійності каналів телекомунікації не можуть бути повністю задоволені наземними засобами дротового та радіозв'язку.
Спорудження далеких наземних та підводних кабельних ліній займає багато часу. Вони складні і дорогі не тільки в будівництві, але і в експлуатації, і щодо подальшого розвитку. Звичайні кабельні лінії мають порівняно малу пропускну здатність. Кращі перспективи мають широкосмугові концентричні кабелі, однак і вони мають ряд недоліків, що обмежують їх застосування.
Значно більшою пропускною здатністю, дальністю дії, можливістю перебудови для різних видів зв'язку має радіо. Але і радіолінії мають певні недоліки, що ускладнюють у багатьох випадках їх застосування.
Наддовгохвильові системи радіозв'язку через обмеженість діапазону застосовуються зазвичай лише потреб транспорту, авіанавігації й у спеціальних видів зв'язку.
Довгохвильові радіолінії через обмежену пропускну здатність і порівняно малий діапазон дії використовуються головним чином для місцевого радіозв'язку і радіомовлення.
Короткохвильові радіолінії мають достатню дальність дії і широко застосовуються в багатьох видах зв'язку різного призначення.
Нові шляхи подолання властивих далекого радіозв'язку недоліків відкрили запуски штучних супутників Землі (ІСЗ).
Практика підтвердила, що використання ШСЗ для зв'язку, особливо для дальньої міжнародної та міжконтинентальної, для телебачення та телеуправління, при передачі великих обсягів інформації, дозволяє усунути багато труднощів. Ось чому супутникові системи зв'язку (СРС) у короткий термін отримали небувало швидке, широке та різнобічне застосування.
II . Перший штучний супутник Землі.
Першу спробу поставити питання створення ІСЗ було зроблено у грудні 1953 р. під час підготовки проекту постанови Радміну з ракети Р-7. Пропонувалося: "Організувати в НДІ-88 науково-дослідний відділ із завданням розробки проблемних завдань спільно з АН у галузі польоту на висотах близько 500 і більше км, а також розробки питань, пов'язаних із створенням штучного супутника Землі та вивченням міжпланетного простору за допомогою виробу" .
Це завдання розглядалося в ОКБ не як разове, а з розрахунком на створення спеціального напряму у розвитку ракетобудування. Така масштабна постановка питання вимагала великої попередньої підготовки, аж до оцінки вартості майбутніх робіт зі створення ШСЗ.
При плануванні робіт з ШСЗ певним орієнтиром були відомості про роботи США в цій галузі. Питання пріоритету залишалися головним аргументом упродовж наступного періоду розвитку космонавтики. Тому в доповідях насамперед дається докладний оглядстаном робіт за кордоном. При цьому висловлюється, можна сказати, основна думка про те, що "ШСЗ є неминучим етапом на шляху розвитку ракетної техніки, після якого стануть можливими міжпланетні повідомлення". Звертається увага на те, що за останні 2-3 роки зросла увага закордонного друку до проблеми створення ШСЗ та міжпланетних повідомлень.
Найпримітніше в документах на цю тему - це судження про перспективу робіт з ШСЗ. Розробка найпростішого супутника – це лише перший етап. Другий етап - створення супутника, що забезпечує політ одного - двох осіб по орбіті. Третій етап робіт-створеннясупутника-станції для тривалого перебування людей на орбіті При здійсненні цього проекту пропонувалося збирати супутник-станцію з окремих частин, які по черзі доставляються на орбіту.
Підготовчі роботи до перших пусків ракети йшли зі значними труднощами та відставанням від встановлених термінів. Разом з тим, конструктори висловлювали впевненість, що за напруженої роботи у березні 1957 р. розпочнуться пуски ракет. Ракету шляхом деяких переробок можна пристосувати для пуску у варіанті штучного супутника Землі, що має невеликий корисний вантаж у вигляді приладів вагою близько 25 кг... і кулястий контейнер, що відокремлюється, власне супутника діаметром близько 450 мм і вагою 40-50 кг.
І ось у Радянському Союзі була створена ракета, здатна розвинути швидкість. км/сек.Вона стартувала 4 жовтня 1957 р. Злетівши вгору вертикально, свічкою, ракета пронизала стратосферу. Її вели автоматичні пристрої, що діють за заданою програмою. Ракета піднялася на двісті з лишком кілометрів, поступово прийняла горизонтальний напрямок і лягла на курс. Потрібно було це зробити дуже точно:
помилка на один градус зіпсувала б усе. Але автомати діяли бездоганно. Ракета набрала потрібну швидкість і відправила в дорогу блискучу кулю з алюмінієвих сплавів-перший у світі штучний супутник, зроблений у нашій країні.
8 кмза секунду, 28800 кмв годину!
Якщо в якусь хвилину супутник був над Австралією, то через 20 хвилин над Аляською, ще через 12 хвилин над Нью-Йорком, ще через 10 над Бразилією. За півтори години - Навколосвітня подорож, 15 обертів на добу, і щоразу по новій трасі, тому що площина супутникової орбіти в просторі нерухома, а Земля обертається навколо своєї осі всередині цієї орбіти.
Перший супутник був невеликий: діаметр його – 58 см,вага – 83,6 кг.У нього були двометрові вуса – антени. Усередині - два радіопередавачі Пролітаючи над усіма країнами світу, супутник сповіщав, що епоха космічних мандрівок вже настала, і цю епоху відкрила країна соціалізму. За ним вирушили в мандрівку навколо Землі другий та третій супутники.
«Бебі-мун» – «місяцем-малюткою» – прозвали американці нашого міжпланетного первістка. Тисячі очей та радіоприймачів стежили за його польотом. І щогодини його життя цікавив учених. Вперше земне тіло піднімалося на висоту 947 км.Вперше на таких висотах працював радіопередавач.
Сигнали його показували, як проходять радіохвилі через верхні наелектризовані шари атмосфери, дозволяли глибше зрозуміти їхню будову.
Радіопередача потребує енергії. Енергія у космосі є. Її можна запозичувати від Сонця. Нехай воно своїми променями заряджає акумулятори. Але першому супутнику стояли батареї, заряджені Землі. Вони зникли через деякий час, однак і замовк супутник продовжував служити науці. На великих висотах, де пролягав його шлях, повітря майже немає... але все ж таки «майже ні», а не «зовсім ні». Навіть при незначній щільності повітря чинить опір, і швидкість супутника поступово знижується. Завдяки цьому можна встановити, якою є щільність атмосфери на різних висотах.
Деякі особливості руху супутника вказують на нерівномірне тяжіння Землі. Це дозволяє уточнити форму та будову нашої планети, знайти приховані під Землею важкі чи легкі маси.
Теоретично тіло, що летить над Землею зі швидкістю 8 км/сек,ніколи не впаде. Але перші супутники було неможливо літати вічно. Незначний опір повітря з часом загальмував їхній політ. Вони знижувалися і, влетівши в щільні шари повітря, згоряли та розсипалися.
Тепер треба було вирішити найважливіше питання: чи може жива істотаперенести космічний політ, чи воно неминуче загине поза атмосфери? Другий радянський штучний супутник, який стартував 3 листопада 1957 р., мав відповісти це питання. На ньому в космос на висоту до 1670 року кмвирушила перша мандрівниця – собака Лайка. Спеціальні прилади стежили за її диханням, пульсом, кров'яним тиском. Ми знаємо, що Лайка добре перенесла стрімкий старт та багатодобову подорож навколо Землі. На третьому радянському штучному супутнику Землі було встановлено ще біліша різноманітна апаратура вивчення властивостей земної атмосфери, сонячного випромінювання і т. п. Він важив 1,3 тонни, і запаси його електричної анергії на харчування приладів поповнювалися з допомогою дії сонячних променів на встановлені пристосування. Пізніше кілька штучних супутників вдалося запустити і США.
Третій радянський супутник виявився найдовшим і найважчим. Радянські люди зуміли закинути у простір солідну споруду, розміром із легкову машину.
III . Супутникові системи зв'язку.
Цікаво, що ідею застосування штучних супутників Землі для зв'язку було висловлено ще до запуску першого супутника. У 1945 р. відомий радянський вчений П. В. Шмаков висував ідею використання ШСЗ для організації всесвітнього телевізійного мовлення.
Які ж принципи застосування ШСЗ для зв'язку і чому супутникові системи дозволяють подолати багато труднощів, що виникають при організації зв'язку старими, традиційними методами?
Відомо, що куля відображає електромагнітні хвилі рівномірно у всіх напрямках, а його ефективна поверхня, що відбиває, пропорційна квадрату діаметра. Підвищення відбивних властивостей такої кулі може бути досягнуто за рахунок збільшення його діаметра. Надув кулі здійснювався після виведення ШСЗ на орбіту способом сублімації. Оболонка мала захисну плівку та спеціальне металізоване покриття. Куля була складена з окремих меридіональних сегментів. Металеві шарові сегменти, що накладаються на сферу, забезпечували електричний контакт між усіма меридіональними сегментами.
Незважаючи на очевидну простоту, дешевизну та певні технічні переваги такої системи супутникового зв'язку, дуже скоро виявились і серйозні її недоліки. Для підтримки сталого зв'язку була потрібна велика потужність передавальних і висока чутливість приймальних наземних пристроїв. Але і при виконанні цих умов радіолінії працювали недостатньо стійко, були схильні до впливу перешкод. Термін життя таких супутників внаслідок зміни їх форми, стиснення оболонки та погіршення відбивних властивостей, а також через швидку втрату висоти виявився невеликим.
Супутник, однак, постійно переміщається в просторі і не може завжди перебувати в зоні спільної видимості пунктів, які потребують зв'язку. Як же працює ССС, якщо потрібен тривалий, багатогодинний або навіть цілодобовий зв'язок між заданими пунктами?
Одне з можливих рішень цього завдання - запуск на відповідні орбіти такої кількості супутників, щоб, як тільки один із них вийде із зони спільної радіовидимості пунктів, що потребують зв'язку, інший ШСЗ відразу ж входив би до цієї зони. Однак навіть при досить великій кількості супутників, якщо їхнє становище на орбітах випадково, не виключено таке становище, коли в зоні спільної видимості двох пунктів, що потребують зв'язку, не виявиться жодного ШСЗ.
Від чого залежить кількість ШСЗ, необхідні забезпечення безперервного зв'язку? Очевидно, що чим більша висота їх орбіт, тим триваліша спільна видимість ШСЗ наземними пунктами.
Нахил - найважливіша умоваохоплення системою супутникового зв'язку певного району Землі, заданої зони обслуговування. У зв'язку з першорядною, по суті, визначальною, роллю орбіт ШСЗ в системах супутникового зв'язку необхідно, хоча б дуже коротко, зупинитися на деяких основних їх типах і поняттях.
Кругова орбіта - це орбіта, яка має відстань від супутника до центру Землі приблизно постійно. Еліптична орбіта – коли супутник рухається навколо Землі по кривій, близькій до еліпсу. Максимальне видалення її від Землі (апогей) та мінімальне (перигей) можуть суттєво відрізнятись один від одного. Форма еліпса визначається величиною його ексцентриситету (відношенням різниці відстаней від центру Землі до апогею та перигею до великої осі еліпса). Орбіти з великим ексцентриситетом мають високий апогей та називаються високоеліптичними.
Вибір форми орбіти (кругова, еліптична, високоеліптична), способи (полярна, похила із заданим кутом нахилу, екваторіальна), величини періоду та характеру звернення орбіти навколо Землі (синхронна, геостаціонарна) є визначальним при проектуванні тієї чи іншої системи супутникового зв'язку черга визначається завданнями проектованої системи.
Починаючи з перших запусків, супутники зв'язку майже завжди утворюють систему. Поодинокі ШСЗ зв'язку широкого використання застосовуються рідко.
У супутникових системах зв'язку використовуються низькоорбітальні апарати, високоеліптичні ШСЗ та геостаціонари.
Системи зв'язку з використанням низькоорбітальних ШСЗ
Першими з метою зв'язку були застосовані низькоорбітальні ШСЗ.
Це пояснюється, зокрема, і тим, що виведення ШСЗ на низькі орбіти простіше і з найменшими енергетичними витратами. Перші запуски низькоорбітальних супутників зв'язку показали можливість та доцільність застосування ШСЗ для зв'язку, підтвердили правильність технічних принципів активної ретрансляції. Разом з тим, з першого досвіду експлуатації супутників на низьких орбітах стало ясно, що вони не можуть забезпечити достатньо ефективного вирішення завдань супутникового зв'язку.
Для розширення районів та збільшення часу дії ССС передбачалося піти шляхом збільшення числа ШСЗ у системі. Незабаром, однак, стало ясно, що багатосупутникова система зв'язку на низькоорбітальних ШСЗ як система загального користування має багато експлуатаційних незручностей і нерентабельна.
У низькоорбітальних системах зв'язку супутники можуть розміщуватися в просторі один щодо одного випадково або впорядковано. При випадковому розташуванні знадобиться більша кількість ШСЗ, проте впорядковане розташування їх у просторі вимагатиме чималих зусиль для створення та збереження заданого відносного розташування. У цьому необхідні постійний контроль розташування супутників і коригування орбіт внаслідок еволюції в процесі польоту.
До переваг ССС на низьких орбітах ставляться, як зазначалося, порівняльна дешевизна виведення їх у орбіту і простіша бортова апаратура. До недоліків - труднощі підтримки безперервного цілодобового зв'язку, ускладнення наземної апаратури зарахунок застосування стежать антенних пристроїв, менший термін існування КА.
Низькоорбітальні ССС можуть виявитися ефективними у тих випадках, коли не потрібний двосторонній безперервно діючий зв'язок (наприклад, якщо потрібна лише періодична передача даних).
Системи зв'язку з ШСЗ на високоеліптичних орбітах
Щоб уникнути недоліків, властивих супутниковій системі зв'язку на низьких орбітах, треба підвищувати висоту орбіт. Можливі два варіанти таких орбіт – високі кругові та високоеліптичні. Виведення ШСЗ на високоеліптичні орбіти у деяких випадках має певні переваги.
За рахунок висоти орбіти тривалість зв'язку збільшиться. Причому вона додатково зросте ще внаслідок того, що відношення часу видимості супутника, що знаходиться близько до апогею, в заданій зоні до періоду його звернення у супутників з еліптичною орбітою виявляється істотно більше.
Відповідно до законів небесної механіки (другому закону Кеплера) під час руху супутника еліптичною орбітою його кутова швидкість тим менше, що далі він перебуває від центру Землі. Іншими словами, супутник у районі апогею рухається значно повільніше, ніж у районі перигею. При визначенні розрахункових параметрів орбіт супутників зв'язку, природно, враховуються також енергетичні характеристики ракети-носія, можливості космодрому та командно-вимірювального комплексу та інші фактори, що зумовлюють виведення супутника на орбіту та управління ним у польоті.
До супутників з еліптичною орбітою відносяться, наприклад, американські супутники зв'язку «Тельстар» (перигей-близько 1 тис. км, апогей-близько 11 тис. км).
Хорошим прикладом супутників з високоеліптичної орбітою є радянські супутники зв'язку типу «Блискавка». Для супутників цього класу обрана орбіта з апогеєм над північною півкулею близько 40 тис. км і перигеєм близько 500 км, при способі 65° і періоді звернення, що дорівнює 12 год. Москвою та Далеким Сходомпротягом 8- 9 год однією витку.
Орбітальна структура систем супутникового зв'язку (кількість ШСЗ, їх орбіти та взаємоположення у просторі) обумовлюється вимогами надійності, безперервності, дальності дії зв'язку, мінімально допустимим кутом місця, при якому працездатні наземні станції та іншими факторами.
Системи з геостаціонарними ШСЗ
Все більшого поширення набувають системи супутникового зв'язку з геостаціонарними ШСЗ, званими часто СІСЗ (стаціонарні ШСЗ). Вони застосовуються для телефонно-телеграфного зв'язку, радіо- та телемовлення. Створюються геостаціонарні космічні апарати комплексного типу для метеорологічних цілей, вивчення природних ресурсів Землі, контролю довкілля, виконання інших завдань.
Найважливішим достоїнством геостаціонарних ШСЗ є утворення величезної постійної зони видимості для численних пунктів Землі, охоплення великих територій, можливість організації зв'язку велику дальність і з значним числом кореспондентів.
Істотна перевага ССС із супутниками на геостаціонарних орбітах полягає в тому, що при їх використанні знижуються вимоги до наземних систем стеження та зв'язку, при цьому спрощуються або усуваються пристрої наведення бортових антен. допомогою трьох таких супутників, розташованих один щодо одного під кутами 120 °, можна створити глобальну систему зв'язку, тобто систему, що практично охоплює всю Землю.
Геостаціонарні супутники зв'язку, які образно можна собі уявити як телевежі, підняті на висоту 36 тис. км, у принципі дозволяють вести і прямі передачі самостійно телецентрів, безпосередньо на абонентські антени. Нині рівень потужності випромінюваних телесигналів з геостаціонару ще недостатній прийому звичайну, типову абонентську антену, тому доводиться застосовувати невеликі спеціальні антени групового користування. Що ж до радіомовлення, то прийом може здійснюватися на дуже невеликі зовнішні антени.
Говорячи про безперечні переваги СІСЗ, не можна не брати до уваги те, що виведення апарату на стаціонарну орбіту здійснюється складніше, ніж на низьку або навіть на високоеліптичну. Доставка 1 кг корисного вантажу на геостаціонарну орбіту коштує значно дорожче. Для утримання СІСЗ у заданій точці «стояння» на потрібній довготі потрібно регулярне коригування орбіти за допомогою мікродвигунів, а на борту супутника необхідні для цього запаси палива. Ускладнюється керування в польоті. Розвиток космонавтики дозволяє, однак, розраховувати на швидке та успішне подолання всіх труднощів, що виникають під час створення та експлуатації супутникових систем зв'язку на геостаціонарах.
Успішно діють радянські геостаціонарні супутники зв'язку та телевізійного мовлення на кшталт «Райдуга», «Екран», «Обрій».
В експлуатації знаходяться закордонні супутники зв'язку типу Інтелсат, Домсат (США), Телесат (Канада) та інші.
Незважаючи на свої переваги, геостаціонари, проте не завжди вигідні в техніко-економічному відношенні. За певних умов раціональніше використання ШСЗ на високоеліптичних орбітах, наприклад типу «Блискавка».
VI . Висновок
Пропускна здатність, розгалуженість систем, надійність та економічність ССС постійно зростають. Багатопрограмним телебаченням поступово охоплюються все нові райони, включаючи і найвіддаленіші куточки Росії. Збільшилося значення ССС в управлінні різними галузями народного господарства, в системах масового навчання, оповіщення про різноманітні стихійні явища, надання медичної допомоги. Масове поширення отримали мобільні засоби супутникового зв'язку, що дозволяють швидко та практично у будь-яких районах країни організувати зв'язок за допомогою ШСЗ.
Значно розширилося міжнародне співробітництво у сфері застосування супутникових систем зв'язку, ще більше розвинулися системи «Інтерсупутник», «Стаціонар», зросла їхня взаємодія із системами «Інтел-сат», «Інмарсат» та іншими ССС різних країн світу.
У мільйонів людей є можливість прямого використання ССС для індивідуального зв'язку з будь-яким абонентом світу за допомогою малопотужних і малогабаритних приймально-передаючих пристроїв (мобільних телефонів). Реальне застосування ССЗ для «електронної пошти» (інтернет). Можливе також використання ШСЗ для індивідуального визначення свого місцезнаходження у будь-якій точці земної кулі. Передбачається, що у розпорядженні користувачів будуть малогабаритні та дешеві індивідуальні навігаційні пристрої типу невеликого транзистора.
З кожним роком супутникові системи зв'язку ставатимуть дедалі більшою частиною Єдиної системи зв'язку, важливим елементомСвітова система зв'язку. Вони й тепер відіграють помітну роль у покращенні зв'язків та взаєморозуміння між країнами, а впродовж часу ця роль зростатиме.
Список використаної літератури:
1. Академія наук СРСР «Космос-Землі» Вид. "Наука", Москва 1981р.
2. Дитяча енциклопедія, том 2. Вид. «Академія педагогічних наук РРФСР», Москва 1962р.
3. Тализін Н.В. «Супутники зв'язку - Земля та Всесвіт», 1977
Повнотекстовий пошук:
Головна > Реферат >Астрономія
Федеральна агенція зв'язку
Державний загальноосвітній заклад
«Сибірський державний університет
Телекомунікацій та інформатики»
Кафедра Радіомовлення та телебачення
РЕФЕРАТ
за Основами телекомунікацій
тема: «Супутниковий радіозв'язок».
Виконав: студент I курсу
Леонов Н.І.
Перевірив: Катунін Г.П.
Новосибірськ-2009
1. Штучні супутники Землі як ретранслятори для систем
зв'язку.………………………………………………………………….………….3
2. Принципи побудови та особливості ССС…………………………………….7
3. Тенденції технологии…………………………………………………..………11
4. Космічні станції……………………………………………………………12
5. Земні станції………………………………………………………………….16
1. Штучні супутники Землі як ретранслятори для систем зв'язку
Завдання збільшення дальності та пропускної спроможності систем зв'язку завжди були основними проблемами даної галузі техніки. На жаль, відповідні характеристики, як правило, виявляються альтернативними: заходи щодо збільшення пропускної спроможності призводять до скорочення дальності та навпаки. Зокрема, підвищення пропускної спроможності вимагає переходу на все більш високочастотні діапазони хвиль, сигнали яких можуть бути безпосередньо передані практично лише на відстані прямої видимості.
Успіхи розвитку космонавтики дозволили використовувати як такі ретранслятори ШСЗ. Оскільки вони можуть розташовуватися практично скільки завгодно високо над Землею, їх сфера обслуговування може охоплювати як окремі країни чи моря, а й цілі континенти і океани. У випадку супутники рухаються еліптичним орбітам, в одному з фокусів яких розташовується центр Землі. Супутник переміщається щодо наземного спостерігача, а разом із і область обслуговування переміщається темною поверхні. У результаті слід або збільшувати кількість супутників у системі, або погодитися з тим, що цілодобовий зв'язок не забезпечуватиметься.
Поліпшення ситуації може бути досягнуто, якщо вибрати орбіту супутника так, щоб період звернення супутника навколо Землі знаходився в простому співвідношенні з періодом її обертання навколо своєї осі (синхронні орбіти). Використання таких орбіт призводить до постійного розкладу можливих сеансів зв'язку, оскільки для будь-якого наземного спостерігача супутник-ретранслятор (СР) з'являється в цій точці небесної сфери періодично, постійно в той самий час.
Подальші спрощення супутникових систем зв'язку наступають, якщо:
Орбіта супутника є круговою і лежить у площині екватора;
Період звернення супутника по орбіті становить рівно одну добу. Такий супутник взагалі залишається нерухомим щодо будь-якого наземного спостерігача. Відповідна орбіта називається геостаціонарний(ДСО), а супутник, що рухається по ній - стаціонарним.ДСО має радіус приблизно 42,3 тис. км. Вона унікальна і єдина, тому розміщення супутників на ній жорстко контролюється між народними організаціями на чолі з егідою ООН, що діє, Міжнародним союзом електрозв'язку (МСЕ). Тієї ж організації доручено міжнародну координацію та інші супутникові системи зв'язку з метою раціонального обмеження взаємного впливу між ними.
Хоча нині переважна частина використовуваних СР є стаціонарним і, вони позбавлені істотних недоліків. Саме такі супутники найкраще пристосовані для обслуговування тропічних та субтропічних регіонів. У міру просування спостерігача на поверхні Землі від підсупутникової точки вздовж меридіана до полюсів Землі, кут місця спрямування на стаціонарний космічний апарат (КА) зменшується, досягаючи нульового значення для широти 82 (північної або південної). Для ближчих до полюсів точок підсупутникового меридіана видимість супутника взагалі відсутня. Легко зрозуміти, що межа геометричної видимості стаціонарного КА при відхиленні спостерігача від супутникового меридіана опускається в напрямку до екватора. Крім того, робота радіоліній у напрямках з малими кутами місця взагалі різко утруднюється як за рахунок прийому відбитих від Землі сигналів, так і за рахунок екрануючої дії різних піднесень, лісу, будов чи інших перешкод. Тому стаціонарні КА практично нездатні обслуговувати території, що лежать на північ від північного і на південь від південного полярних кіл. Тим часом ці території часто становлять значний інтерес, наприклад для Росії. Навіть територія Північного полюса становить значний інтерес, насамперед у зв'язку з тим, що через неї пролягають найвигідніші траси низки найважливіших авіаліній.
Орбіти СР можна вибирати те щоб забезпечити переважне обслуговування тих чи інших регіонів лежить на Землі. Так, а Росії була запропонована еліптична орбіта, спеціально пристосована для обслуговування північних регіонівпланети. Апогей цієї орбіти знаходиться над північною півкулею на відстані приблизно 40 тис. км від поверхні Землі, а перигей лежить на висоті кілька сотень кілометрів над південною півкулею. Площина орбіти нахилена до екватора приблизно 65°. Період звернення супутника по цій орбіті становить половину доби, тож це синхронний супутник. За добу він здійснює два витки "перший з них, званий основним,досягає апогею над Сибіром (у точці з географічними координатами 63»5° пн.ш. і 81° сх.д.), а другий - пов'язаний - у точці з тією ж широтою, але зсунутою по довготі на 180°, тобто . 99 ° з.д. (Над Канадою). Параметри цієї орбіти обрані так, що частині орбіти, що примикає до апогею, швидкість кутового переміщення супутника в напрямку «схід-захід» збігається з таким для Землі. Ця умова приблизно виконується на всій робочій ділянці орбіти (від трьох-чотирьох годин до досягнення апогею до трьох-чотирьох годин після його проходження) і забезпечує відсутність переміщення супутника по відношенню до будь-якого спостерігача на Землі в напрямку «схід-захід».
На робочій ділянці орбіти порівняно невеликим виявляється і переміщення у напрямку «північ-південь». Еліптична орбіта забезпечує обслуговування північної півкулі Землі, включаючи область Північного полюса з досить великими кутами місця. Недоліком її є необхідність використання системи із трьох-чотирьох супутників для підтримки безперервності зв'язку протягом доби, що здорожує космічний сегмент системи; також суттєво, що з використанні еліптичних супутників на ЗС доводиться забезпечувати стеження антеною за переміщеннями КА, що подорожчає і земний комплекс системи.
Супутник-ретранслятор (СР) повинен приймати сигнали від земних станцій (ЗС) системи зв'язку, посилювати їх і знову передавати на ті ЗС, яким призначені очі. Таким чином, СР містить приймальне та передавальне обладнання для ретрансляції сигналів.
Оскільки наскрізне посилення приймально-передавального тракту СР має бути досить великим, необхідно вести прийом і передачу на різних частотах (інакше не вдасться уникнути самозбудження тракту). Таким чином, обов'язковим елементом тракту ретрансляції є перетворювачі частоти.
Особливість ретрансляторів мовної служби в тому, що для них основним є тракт, що передає, через який власне і здійснюється вішання. На мовних СР встановлюється і приймальне обладнання, що використовується для прийому мовних програм, що подаються на борт. Радіолінія подачі програм на борт називається фідерної.
Супутник-ретранслятор, як і будь-який активний КА, крім власне тракту ретрансляції, іменованого по відношенню до цього апарату, корисним навантаженням(ПН), містить також і цілу низку допоміжних систем, таких як система електроживлення, система орієнтації та стабілізації, система терморегулювання та управління. Остання включає системи формування та передачі телеметричної інформації. КА за вирахуванням корисного навантаження називається космічною платформою(КП). Така платформа може використовуватися у поєднанні з різними ПН для створення ряду різних КА.
Нині на користь фіксованої і мовної служб найчастіше використовуються стаціонарні СР. Типові параметри платформ таких супутників:
енергооснащеність до 5-7 кВт, причому для живлення корисного навантаження виділяється 1,5-2 кВт;
маса порядку 2-3 т. У тому числі корисного навантаження 0,5-0,8 г;
точність орієнтації та стабілізації порядку 0,1;
термін активного існування 12-15 років.
Поряд з типовими КА в даний час вважається перспективним використання на користь фіксованої служби малих КА (МКА) з масою 500-800 кг (у тому числі ПН 100-200 кг) та енергоозброєністю 1,8-2,5 кВт. Гідність МКА - можливість групового чи попутного (разом із типовим КА) запуску, що суттєво знижує витрати на виведення. МКА можуть запускатися в ті точки, де вже розташовані інші СР і забезпечувати необхідне доповнення стволів, що працюють на них, або заміну стволів, що вийшли з ладу. Там можуть будуватися також національні системи супутникового зв'язку порівняно невеликих чи небагатих країн.
Залежно від складу користувачів СР поділяються на міжнародні та національні. Найбільш відомі міжнародні СР фіксованої служби Intelsat та Eutelsat. Істотними ресурсами володіє також міжнародна компанія Інтерсупутник. СР Eutelsat містять також стовбури, які найчастіше використовуються європейськими країнами для телевізійного мовлення. Спеціально для цього використовується супутникова система Astra.
Національна система супутникової фіксованої служби Росії нині використовує СР типу «Експрес», і навіть «Ямал» різних модифікацій.
2. Принципи побудови та особливості ССС.
Види орбіт. Супутник зв'язку може перебувати на круговій або еліптичній орбіті. Відповідно центр Землі збігається з центром кругової орбіти чи з однією з фокусів еліптичної орбіти (рис. 1).
Кут i між площиною орбіти та площиною екватора називають нахилом. При i=0 орбіта називається екваторіальною, при i= 90 ° - полярної, інші - похилими. Кругові орбіти відрізняються способом і висотою Н 3 над поверхнею Землі. Еліптичні орбіти – нахилом та висотами апогею А та перигею П над поверхнею Землі. Лінія, що з'єднує апогей та перигей, називається лінією апсид. Поля тяжіння Місяця, Сонця, планет, магнітне поле Землі, несферичність Землі та інші фактори, що обурюють, викликають зміну параметрів орбіти в часі. Для похилих еліптичних орбіт ці зміни мінімальні, якщо вибрати i= 63,4 °.
У ССС знайшли застосування орбіти двох типів: висока еліптична типу «Блискавка» та геостаціонарна орбіта. Перша отримала назву від радянського супутника зв'язку «Блискавка». Її параметри: висота апогею близько 40 тис. км, висота перигею близько 500 км, i 63,4 °. Апогей орбіти знаходиться над північною півкулею. Період звернення ШСЗ-12 год. За добу ШСЗ здійснює два обороти. Тому кожну добу він видно в одних і тих же районах Землі в один і той же час. Орбіта, на яку період звернення ШСЗ кратний земним суткам, називається субсинхронною. Згідно з другим законом Кеплера в районі апогею високої еліптичної орбіти ШСЗ рухається набагато повільніше, ніж у перигею. Сеанс зв'язку проводять, коли ШСЗ рухається в частині орбіти, що прилягає до апогею. Він може тривати близько 8 годин, оскільки протягом цього часу супутник на орбіті типу «Блискавка» видно по всій території СРСР. Розмістивши на орбіті три ШСЗ, можна підтримувати зв'язок цілодобово. Ці супутники переміщаються щодо ЗС, на останніх доводиться встановлювати рухливі антени, стежать за ШСЗ.
Геостаціонарна орбіта(ГО) – це екваторіальна кругова орбіта, на яку Н 3 =35786 км. Супутник, що рухається цією орбітою, називають геостаціонарним.Він обертається з тією самою кутовою швидкістю, як і Земля, і тому спостерігачеві Землі здається нерухомим. Точку на земній поверхні, над якою ШСЗ, знаходиться в зеніті, називають підсупутниковою. Для геостаціонарного супутника траєкторія підсупутникової точки вироджується на екваторі. Довгота цієї точки визначає положення геостаціонарного ШСЗ. Зв'язок через такий ШСЗ можна підтримувати за допомогою нерухомих антен ЗС. Насправді часто доводиться брати до уваги порівняно невеликі коливання положення ШСЗ, спричинені переліченими вище факторами, що обурюють. Під їх впливом підсупутникова точка починає робити коливання із добовою періодичністю. Через деякий час траєкторія руху підсупутникової точки за добу набуває вигляду "вісімки", витягнутої в напрямку північ-південь, з центром на екваторі. Через рік розмах цієї вісімки становитиме близько ±1°. Через це доводиться періодично коригувати становище супутника на орбіті.
Супутникова супутникового связи…………………………………………………..4 1.1 Історія супутниковоїсвязи………………………………………………….4 1.2 Організація супутниковогоствола…………………………………………..5 ... адміністративної конференції з радіозв'язку(WARC-92), ...
Штучний супутник Землі (ІСЗ) - космічний літальний апарат, що обертається навколо Землі на геоцентричній орбіті. Для руху орбітою навколо Землі апарат повинен мати початкову швидкість, рівну чи велику першої космічної швидкості. Польоти ШСЗ виконуються на висотах до кількох сотень тисяч кілометрів. Нижню межу висоти польоту ШСЗ обумовлює необхідність уникнення процесу швидкого гальмування в атмосфері. Період звернення супутника по орбіті в залежності від середньої висоти польоту може становити від півтори години до декількох років. Особливе значення мають супутники на геостаціонарній орбіті, період обігу яких суворо дорівнює добі і тому для наземного спостерігача вони нерухомо «висять» на небосхилі, що дозволяє позбутися поворотних пристроїв в антенах.
Відповідно до міжнародної домовленості космічний апарат називається супутником, якщо він здійснив не менше одного обороту навколо Землі. В іншому випадку він вважається ракетним зондом, що проводив вимірювання вздовж балістичної траєкторії, і не реєструється як супутник. Залежно від завдань, які вирішуються за допомогою ШСЗ, їх поділяють на науково-дослідні та прикладні. Якщо на супутнику встановлені радіопередавачі, та чи інша вимірювальна апаратура, імпульсні лампи для подачі світлових сигналів тощо, його називають активним. Пасивні ШСЗ призначені зазвичай для спостережень із земної поверхні при вирішенні деяких наукових завдань (до таких ШСЗ належать супутники-балони, що досягають у діаметрі декількох десятків м). Науково-дослідні ШСЗ служать для досліджень Землі, небесних тіл, космічного простору. До них належать, зокрема, геофізичні супутники, Геодезичні супутники, орбітальні астрономічні обсерваторії та ін. Прикладними ШСЗ є Зв'язки супутники, метеорологічні супутники навігаційний супутник), супутники технічного призначення (для дослідження впливу космічних умов на матеріали, для випробувань та відпрацювання бортових систем) та ін. ШСЗ, призначені для польоту людей, називаються пілотованими кораблями-супутниками. ШСЗ на екваторіальній орбіті, що лежить поблизу площини екватора, називаються екваторіальними, ШСЗ на полярній (або приполярній) орбіті, що проходить поблизу полюсів Землі, - полярними. ШСЗ, виведені на кругову екваторіальну орбіту, віддалену на 35860 км від поверхні Землі, і що рухаються у напрямку, що збігається з напрямком обертання Землі, «висять» нерухомо над однією точкою земної поверхні; такі супутники називаються стаціонарними.
Перший ШСЗ "Супутник".
Запущено за програмою МГГ (Міжнародний геофізичний рік) у період максимальної сонячної активності (1957-1958). Маса супутника 83,6 кг. Корпус – сфера діам. 0,58 м. Час існування 92 діб.
Перший ШСЗ із твариною ("Супутник-2" із собакою Лайкою).
Супутник не відділявся і був весь другий ступінь - центральний блок ракети. Маса корисного вантажу 503,8 кг. Дата запуску 03.11.1957
Перший зв'язковий ШСЗ - активний ретранслятор ("Атлас-Скор")
англ. Atlas-Score, "Атлас" від назви ракети-носія та SCORE від Signal Communcations Orbit Relay Experiment - експеримент із ретрансляції сигналів зв'язку з орбіти. Дата запуску 18.12.1958
Перший метеорологічний ШСЗ "ТІРОС-1"
("TIROS", скор. від Television Infra-Red Observation Satellite - супутник для спостережень з телевізійним та інфра-червоним обладнанням для отримання зображень хмарного покриву та вимірювання теплового випромінювання Землі). Маса 120 кг. Корпус - 18-гранна призма (вис. 0,5 м, макс. поперечний розієр ~1 м) Дата запуску 01.04.1960
Перший радянський ШСЗ-розвідник ("Зеніт-2")
Офіційна назва "Космос-4". Створено на базі КС "Схід 2К". Мав капсулу, що спускається, для повернення наукової апаратури і фотоплівки на Землю. Дата запуску 26.04.1962
20. Автоматичні міжпланетні станції: цілі та завдання їх застосування, приклади виконання.
Автоматична міжпланетна станція (АМС) - безпілотний космічний апарат, призначений для польоту в міжпланетному космічному просторі (не геоцентричною орбітою) з виконанням різних поставлених завдань. У той час як країн, що мають навколоземні супутники – кілька десятків, складні технології міжпланетних станцій освоїли лише кілька країн – СРСР/Росія, США, Європа/ESA, Японія, Китай, Індія. При цьому до Марса, Венери і комет відправляли АМС лише перші чотири, до астероїдів - лише США, Європа і Японія, до Меркурія, Урану і Нептуна - тільки США, до Юпітера і Сатурна - США, з них дві АМС за участю ESA. Через значну вартість та високу складність міжпланетних перельотів великі перспективи мають міжнародні проекти в цій галузі. Наприклад, зонд нового покоління для дослідження системи Юпітера планується за участі NASA, ESA, Роскосмосу і JAXA. АМС зазвичай призначається до виконання комплексу завдань, починаючи науково-дослідними проектами, і закінчуючи політичними демонстраціями. Типовими об'єктами для досліджень є інші планети, їх природні супутники, комети та інші об'єкти. Сонячна система. При цьому зазвичай робиться фотографування, сканування рельєфу; вимірюються поточні параметри магнітного поля, радіації, температури; хімічний складатмосфери іншої планети, ґрунту та космічного простору поблизу планети; перевіряються сейсмічні властивості планети. Накопичені вимірювання періодично передаються Землю з допомогою радіозв'язку. Більшість АМС мають двонаправлений радіозв'язок із Землею, що дає можливість використовувати їх як дистанційно керовані прилади. У Наразіяк канал передачі даних використовують частоти в радіодіапазоні. Досліджуються перспективи застосування лазерів для міжпланетного зв'язку. Великі відстані створюють істотні затримки під час обміну даними, тому рівень автоматизації АМС прагнуть максимально збільшити.
Перший штучний супутник Місяця (ІСЛ "Місяць-10")
Час існування 56 діб, здійснив 460 обертів навколо Місяця запуск 31.03.1966, виведення на орбіту навколо Місяця 03.04.1966
Перший штучний супутник Марса ІСМ ("Марінер-9")
Маса КА 998 кг, у т.ч. 450 кг КТДУ, тягою 1,3 кН. Передав 7329 знімків Марса (дозвіл до 0,1 м), його супутників Деймоса та Фобоса. На базі знімків складено карту планети та обрано райони посадки посадкових модулів КА "Вікінг-1" та "Вікінг-2", які здійснили посадку на Марсі 20.07. та 04.09. 1976 року на відстані 6400 км один від одного. Запуск 30.05.1971; висновок на обиту навколо Марса 14.11.1971
Перші радянські штучні супутникиМарса ІСМ ("Марс-2", "Марс-3")
Маса космічних апаратів по 4650 кг, вони мали орбітальні відсіки і апарати, що спускаються. ІСМ після відділення, гальмування в атмосфері, спуску і м'якої посадки СА на марсіанську поверхню, були ретрансляторами передачі даних від СА на Землю. ІСМ мали наукову апаратуру і по дві фототелевізійні камери з різними фокусними відстанями для зйомки поверхні Марса. Запуск 19.05 та 28.05.1971; виведення на орбіту навколо Марса 27.11 та 02.12.1971
Перші штучні супутники Венери ІСВ ("Венера-9", "Венера-10").
Запуск 08.06 та 14.06.1975; виведення на орбіту навколо Венери 22.10 та 25.10.1975.
Перший штучний супутник Сатурну АМС "Кассіні".
Бюджет проекту понад $3 млрд. За допомогою цього апарату відкрито безліч нових супутників Сатурна, отримано унікальні фотографії самої планети та її супутників. Маса "Кассіні" при старті склала 5710 кг, включаючи 320-кілограмовий "Гюйгенс", 336 кг наукових приладів та 3130 кг палива. Розміри станції становлять 6,7 м заввишки і 4 м завширшки. Дата запуску 15.10.1997, виведення на орбіту Сатурна 30.06.2004 Перший штучний супутник Меркурія "Messenger" у перекладі "Посланник" - скорочення від MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry and Ranging Стартова маса АМС0 кг SEN0 (більше половини всієї маси) - паливо. Корпус апарату виготовлений із композиційного графітового матеріалу та має розміри 1,42×1,85×1,27 м. Потужність 450 кВт Дата запуску 17.03.2011 вихід на орбіту 18.03.2011.
x
x
(ІСЗ)
космічні літальні апарати, виведені на орбіти навколо Землі та призначені для вирішення наукових та прикладних завдань. Запуск першого ШСЗ, що став першим штучним небесним тілом, створеним людиною, був здійснений в СРСР 4 жовтня 1957 і став результатом досягнень у галузі ракетної техніки, електроніки, автоматичного управління, обчислювальної техніки, небесної механіки та ін розділів науки і техніки. За допомогою цього ШСЗ вперше було виміряно щільність верхньої атмосфери (за змінами його орбіти), досліджено особливості поширення радіосигналів в іоносфері, перевірено теоретичні розрахунки та основні технічні рішення, пов'язані з виведенням ШСЗ на орбіту. 1 лютого 1958 на орбіту було виведено перший американський ШСЗ "Експлорер-1", а трохи пізніше самостійні запуски ШСЗ зробили й інші країни: 26 листопада 1965 - Франція (супутник "А-1"), 29 листопада 1967 - Австралія ("ВРЕСАТ- 1"), 11 лютого 1970 року - Японія ("Осумі"), 24 квітня 1970 року - КНР ("Китай-1"), 28 жовтня 1971 року - Великобританія ("Просперо"). Деякі супутники, виготовлені в Канаді, Франції, Італії, Великій Британії та інших країнах, запускалися (з 1962) за допомогою американських ракет-носіїв. У практиці космічних досліджень широкого поширення набуло Міжнародна співпраця. Так, у рамках науково-технічного співробітництва соціалістичних країн запущено низку ШСЗ. Перший з них - "Інтеркосмос-1" - був виведений на орбіту 14 жовтня 1969 року. Всього до 1973 запущено понад 1300 ШСЗ різного типу, у тому числі близько 600 радянських і понад 700 американських та інших країн, включаючи пілотовані космічні кораблі- орбітальні станції з екіпажем.
Загальні відомостіпро ШСЗ.Відповідно до міжнародної домовленості космічний апарат називається супутником, якщо він здійснив не менше одного обороту навколо Землі. В іншому випадку він вважається ракетним зондом, що проводив вимірювання вздовж балістичної траєкторії, і не реєструється як супутник. Залежно від завдань, які вирішуються за допомогою ШСЗ, їх поділяють на науково-дослідні та прикладні. Якщо на супутнику встановлені радіопередавачі, та чи інша вимірювальна апаратура, імпульсні лампи для подачі світлових сигналів тощо, його називають активним. Пасивні ШСЗ призначені зазвичай для спостережень із земної поверхні при вирішенні деяких наукових завдань (до таких ШСЗ належать супутники-балони, що досягають у діаметрі кількох десятків м). Науково-дослідні ШСЗ служать для досліджень Землі, небесних тіл, космічного простору. До них належать, зокрема, геофізичні супутники, орбітальні астрономічні обсерваторії та ін. Прикладними ШСЗ є і, метеорологічні супутники для дослідження впливу космічних умов на матеріали, для випробувань та відпрацювання бортових систем) та ін. ШСЗ, призначені для польоту людей, називаються пілотованими кораблями-супутниками. ШСЗ на екваторіальній орбіті, що лежить поблизу площини екватора, називаються екваторіальними, ШСЗ на полярній (або приполярній) орбіті, що проходить поблизу полюсів Землі, - полярними. ШСЗ, виведені на кругову екваторіальну орбіту, віддалену на 35860 кмвід поверхні Землі, що рухаються в напрямку, що збігається з напрямком обертання Землі, "висять" нерухомо над однією точкою земної поверхні; такі супутники називаються стаціонарними. Останні щаблі ракет-носіїв, головні обтічники та деякі інші деталі, що відокремлюються від ШСЗ при виведенні на орбіти, є вторинні орбітальні об'єкти; їх зазвичай не називають супутниками, хоча вони звертаються по навколоземних орбіт і у ряді випадків служать об'єктами спостережень для наукових цілей.
Відповідно до міжнародної системи реєстрації космічних об'єктів (ІСЗ, космічних зондів та ін.) в рамках міжнародної організаціїКОСПАР у 1957-1962 космічні об'єкти позначалися роком запуску з додаванням літери грецького алфавіту, що відповідає порядковому номеру запуску цього року, та арабської цифри - номери орбітального об'єкта залежно від його яскравості чи ступеня наукової значущості. Так, 19572 - позначення першого радянського ШСЗ, запущеного в 1957; 1957α1 - позначення останнього ступеня ракети-носія цього ШСЗ (ракета-носій була яскравішою). Оскільки кількість запусків зростала, починаючи з 1 січня 1963 року космічні об'єкти стали позначати роком запуску, порядковим номером запуску в цьому році і великою літерою латинського алфавіту (іноді також порядковим числом, що замінюється). Так, ШСЗ "Інтеркосмос-1" має позначення: 196988А або 196908801. національних програмахкосмічних досліджень серії ШСЗ часто мають також власні назви: "Космос" (СРСР), "Експлорер" (США), "Діадем" (Франція) та ін. За кордоном слово "супутник" до 1969 р. використовувалося тільки стосовно радянських ШСЗ. У 1968-69 під час підготовки міжнародного багатомовного космонавтичного словника досягнуто домовленості, за якою термін " супутник " застосовується до ШСЗ, запущеним у країні.
Відповідно до різноманітності наукових та прикладних завдань, що вирішуються за допомогою ШСЗ, супутники можуть мати різні розміри, масу, конструктивні схеми, склад бортового обладнання. Наприклад, маса найменшого ШСЗ (із серії "ЕРС") – всього 0,7 кг; радянський ШСЗ "Протон-4" мав масу близько 17 т. Маса орбітальної станції "Салют" із пристикованим до неї космічним кораблем "Союз" була понад 25 т. Найбільша маса корисного вантажу, виведеного на орбіту ШСЗ, становила близько 135 т(Американський космічний корабель "Аполлон" з останнім щаблем ракети-носія). Розрізняють автоматичні ШСЗ (науково-дослідні та прикладні), на яких робота всіх приладів та систем управляється командами, що надходять або з Землі, або з бортового програмного пристрою, пілотовані кораблі-супутники та орбітальні станції з екіпажем.
Для вирішення деяких наукових та прикладних завдань необхідно, щоб ШСЗ був певним чином орієнтований у просторі, причому вид орієнтації визначається головним чином призначенням ШСЗ чи особливостями встановленого на ньому обладнання. Так, орбітальну орієнтацію, при якій одна з осей постійно спрямована по вертикалі, мають ШСЗ, призначені для спостережень об'єктів на поверхні та в атмосфері Землі; ШСЗ для астрономічних досліджень орієнтуються на небесні об'єкти: зірки, Сонце. За командою із Землі або за заданою програмою орієнтація може змінюватись. У деяких випадках орієнтується не весь ШСЗ, а лише окремі його елементи, наприклад, гостроспрямовані антени - на наземні пункти, сонячні батареї - на Сонце. Щоб напрям деякої осі супутника зберігалося незмінним у просторі, йому повідомляють обертання навколо цієї осі. Для орієнтації використовують також гравітаційні, аеродинамічні, магнітні системи - звані пасивні системи орієнтації, і системи, забезпечені реактивними чи інерційними керуючими органами (зазвичай складних ШСЗ і космічних кораблях), - активні системи орієнтації. ШСЗ, що мають реактивні двигуни для маневрування, корекції траєкторії або спуску з орбіти, забезпечуються системами управління рухом, складовою якої є система орієнтації.
Енергоживлення бортової апаратури більшості ШСЗ здійснюється від сонячних батарей, панелі яких орієнтуються перпендикулярно напрямку сонячних променів або розташовані так, щоб частина з них висвітлювалася Сонцем за будь-якого положення щодо ШСЗ (так звані всеспрямовані сонячні батареї). Сонячні батареїзабезпечують тривалу роботу бортової апаратури (до кількох років). На ШСЗ, розрахованих обмежені терміни роботи (до 2-3 тижнів), використовуються електрохімічні джерела струму - акумулятори, паливні елементи. Деякі ШСЗ мають на борту ізотопні генератори електричної енергії. Тепловий режим ШСЗ, необхідний роботи їх бортової апаратури, підтримується системами терморегулирования.
В ШСЗ, що відрізняються значним тепловиділенням апаратури, та космічних кораблях застосовуються системи з рідинним контуром теплопередачі; на ШСЗ з невеликим тепловиділенням апаратури у ряді випадків обмежуються пасивними засобами терморегулювання (вибір зовнішньої поверхні з відповідним оптичним коефіцієнтом, теплоізоляції окремих елементів).
Передача наукової та іншої інформації з ШСЗ на Землю здійснюється за допомогою радіотелеметричних систем (часто мають бортові пристрої, що запам'ятовують, для реєстрації інформації в періоди польоту ШСЗ поза зонами радіовидимості наземних пунктів).
Пілотовані кораблі-супутники і деякі автоматичні ШСЗ мають апарати для повернення на Землю екіпажу, окремих приладів, плівок, піддослідних тварин.
Рух ШСЗ.ШСЗ виводяться на орбіти за допомогою автоматичних керованих багатоступінчастих ракет-носіїв, які від старту до деякої розрахункової точки у просторі рухаються завдяки тязі, що розвивається реактивними двигунами. Цей шлях, званий траєкторією виведення ШСЗ на орбіту, або активною ділянкою руху ракети, зазвичай становить від кількох сотень до двох-трьох тис. км. Ракета стартує, рухаючись вертикально вгору, і проходить крізь найбільш щільні шари земної атмосфери порівняно малої швидкості (що скорочує енергетичні витрати на подолання опору атмосфери). При підйомі ракета поступово розгортається, і напрямок її руху стає близьким до горизонтального. На цьому майже горизонтальному відрізку сила тяги ракети витрачається не на подолання дії сили тяжіння тяжіння Землі і опору атмосфери, а головним чином на збільшення швидкості. Після досягнення ракетою наприкінці активної ділянки розрахункової швидкості (за величиною та напрямом) робота реактивних двигунів припиняється; це - так звана точка виведення ШСЗ на орбіту. Космічний апарат, що запускається, який несе останній ступінь ракети, автоматично відокремлюється від неї і починає свій рух по деякій орбіті щодо Землі, стаючи штучним небесним тілом. Його рух підпорядкований пасивним силам (тяжіння Землі, і навіть Місяця, Сонця та інших. планет, опір земної атмосфери тощо. буд.) і активним (керуючим) силам, якщо борту космічного апарату встановлені спеціальні реактивні двигуни. Вид початкової орбіти ШСЗ щодо Землі залежить повністю від його становища та швидкості наприкінці активної ділянки руху (у момент виходу ШСЗ на орбіту) і математично розраховується з допомогою методів небесної механіки. Якщо ця швидкість дорівнює або перевищує (але не більше ніж у 1,4 рази) першу космічну швидкість (близько 8) км/сіку поверхні Землі), та її напрямок не відхиляється сильно від горизонтального, то космічний апарат виходить на орбіту супутника Землі. Точка виходу ШСЗ на орбіту у разі розташована поблизу перигею орбіти. Вихід на орбіту можливий і в інших точках орбіти, наприклад поблизу апогею, але оскільки в цьому випадку орбіта ШСЗ розташована нижче точки виведення, то сама точка виведення повинна розташовуватися досить високо, швидкість же в кінці активної ділянки при цьому повинна бути дещо меншою за кругову.
У першому наближенні орбіта ШСЗ є еліпс з фокусом у центрі Землі (у окремому випадку - коло), що зберігає постійне становище у просторі. Рух за такою орбітою називається незворушеним і відповідає припущенням, що Земля притягує за законом Ньютона як кулю зі сферичним розподілом щільності і що на супутник діє лише сила тяжіння Землі.
Такі фактори, як опір земної атмосфери, стиск Землі, тиск сонячного випромінювання, тяжіння Місяця та Сонця є причиною відхилень від незбуреного руху. Вивчення цих відхилень дозволяє отримувати нові дані про властивості земної атмосфери, про гравітаційне поле Землі. Через опір атмосфери ШСЗ, що рухаються по орбітах з перигеєм на висоті кілька сотень км, поступово знижуються і, потрапляючи до порівняно щільних шарів атмосфери на висоті 120-130 кмі нижче, руйнуються та згоряють; вони мають таким чином обмежений термін існування. Так, наприклад, перший радянський ШСЗ перебував у момент виходу на орбіту на висоті близько 228 кмнад поверхнею Землі і мав майже горизонтальну швидкість близько 7,97 км/сек.Велика піввісь його еліптичної орбіти (тобто середня відстань від центру Землі) становила близько 6950 км, період звернення 96,17 хв, а найменш і найвіддаленіші точки орбіти (перигей і апогей) розташовувалися на висотах близько 228 і 947 кмвідповідно. Супутник існував до 4 січня 1958 року, коли він, внаслідок збурень його орбіти, увійшов до щільних шарів атмосфери.
Орбіта, яку виводиться ШСЗ відразу після ділянки розгону ракети-носія, буває іноді лише проміжної. У цьому випадку на борту ШСЗ є реактивні двигуни, які включаються в певні моменти на короткий час за командою Землі, повідомляючи ШСЗ додаткову швидкість. В результаті ШСЗ переходить на іншу орбіту. Автоматичні міжпланетні станції зазвичай виводяться спочатку на орбіту супутника Землі, а потім переводяться безпосередньо на траєкторію польоту до Місяця або планет.
Спостереження ШСЗ.Контроль руху ШСЗ та вторинних орбітальних об'єктів здійснюється шляхом спостережень їх зі спеціальних наземних станцій. За результатами таких спостережень уточнюються елементи орбіт супутників і обчислюються ефемериди майбутніх спостережень, зокрема й у вирішення різних наукових і прикладних завдань. По апаратурі спостереження ШСЗ поділяються на оптичні, радіотехнічні, лазерні; з їхньої кінцевої мети - на позиційні (визначення напрямів на ШСЗ) та далекомірні спостереження, вимірювання кутової та просторової швидкості.
Найбільш простими позиційними спостереженнями є візуальні (оптичні), які виконуються за допомогою візуальних оптичних інструментів і дозволяють визначати небесні координати ШСЗ з точністю до декількох хвилин дуги. Для вирішення наукових завдань ведуться фотографічні спостереження за допомогою супутникових фотокамер, що забезпечують точність визначень до 1-2"" за положенням та 0,001 сікпо часу. Оптичні спостереження можливі лише тому випадку, коли ШСЗ освітлений сонячними променями (виняток становлять геодезичні супутники, обладнані імпульсними джерелами світла; можуть спостерігатися і перебуваючи у земної тіні), небо над станцією досить темне і погода сприяє спостереженням. Ці умови значно обмежують можливість оптичних спостережень. Менш залежні від умов радіотехнічні методи спостережень ШСЗ, є основними методами спостережень супутників під час функціонування встановлених ними спеціальних радіосистем. Такі спостереження полягають у прийомі та аналізі радіосигналів, які або генеруються бортовими радіопередавачами супутника, або посилаються із Землі та ретранслюються супутником. Порівняння фаз сигналів, що приймаються на кількох (мінімально трьох) рознесених антенах, дозволяє визначити положення супутника на небесній сфері. Точність таких спостережень близько 3" за становищем і близько 0,001 сікпо часу. Вимірювання доплерівського зміщення частоти (див. ) радіосигналів дає можливість визначити відносну швидкість ШСЗ, мінімальна відстань до нього при проходженні, що спостерігалося, і момент часу, коли супутник був на цій відстані; спостереження, що виконуються одночасно з трьох пунктів, дозволяють обчислити кутові швидкостісупутника.
Дальномірні спостереження здійснюються шляхом вимірювання проміжку часу між посилкою радіосигналу із Землі та прийомом після ретрансляції його бортовим радіовідповідачем ШСЗ. Найбільш точні вимірювання відстаней до ШСЗ забезпечують лазерні далекоміри (точність до 1-2 мі вище). Для радіотехнічних спостережень пасивних космічних об'єктів використовують радіолокаційні системи.
Науково-дослідні ШСЗ.Апаратура, що встановлюється на борту ШСЗ, а також спостереження ШСЗ з наземних станцій дозволяють проводити різноманітні геофізичні, астрономічні, геодезичні та ін. Орбіти таких ШСЗ різноманітні – від майже кругових на висоті 200-300 кмдо витягнутих еліптичних із висотою апогею до 500 тис. км. До науково-дослідних ШСЗ належать перші радянські супутники, радянські ШСЗ серій " ", " ", " " , американські супутники серій " Авангард " , " Експлорер " , " ОГО " , " ОСО " , " ВАТ " (орбітальні геофізичні, сонячні, астрономічні обсерваторії); англійський ШСЗ "Аріель", французький ШСЗ "Діадем" та ін. Науково-дослідні ШСЗ складають близько половини всіх запущених ШСЗ.
За допомогою наукових приладів, встановлених на ШСЗ, вивчаються нейтральний та іонний склад верхньої атмосфери, її тиск та температура, а також зміни цих параметрів. Концентрація електронів в іоносфері та її варіації досліджуються як за допомогою бортової апаратури, так і за спостереженнями проходження крізь іоносферу радіосигналів бортових радіомаяків. За допомогою іонозондів детально вивчені структура верхньої частини іоносфери (вище головного максимуму електронної концентрації) та зміни електронної концентрації в залежності від геомагнітної широти, часу доби тощо. Всі результати досліджень атмосфери, отримані за допомогою ШСЗ, є важливим та надійним експериментальним матеріалом розуміння механізмів атмосферних процесів та для вирішення таких практичних питань, як прогноз радіозв'язку, прогноз стану верхньої атмосфери тощо.
За допомогою ШСЗ виявлені та досліджуються. Поряд з космічними зондами ШСЗ дозволили дослідити структуру магнітосфери Землі і характер її обтікання сонячним вітром, а також характеристики самого сонячного вітру (щільність потоку та енергію частинок, величину і характер "вмороженого" магнітного поля) та ін. недоступні для наземних спостережень випромінювання Сонця - ультрафіолетове та рентгенівське, що становить великий інтерес з погляду розуміння сонячно-земних зв'язків. Цінні для наукових досліджень дані доставляють також деякі прикладні ШСЗ. Так, результати спостережень, які виконуються на метеорологічних ШСЗ, широко використовуються для різних геофізичних досліджень.
Результати спостережень ШСЗ дають можливість з високою точністю визначати обурення орбіт ШСЗ, зміни щільності верхньої атмосфери (у зв'язку з різними проявами сонячної активності), закони циркуляції атмосфери, структуру гравітаційного поля Землі та ін. станцій) методами супутникової геодезії дозволяють здійснювати геодезичну прив'язку пунктів, віддалених на тисячі. кмодин від одного, вивчати рух материків тощо.
Прикладні ШСЗ.До прикладних ШСЗ відносять супутники, що запускаються на вирішення тих чи інших технічних, господарських, військових завдань.
Супутники зв'язку служать задля забезпечення телевізійних передач, радіотелефонної, телеграфної та інших. видів зв'язку між наземними станціями, розташованими друг від друга з відривами до 10-15 тис. км. Бортова радіоапаратура таких ШСЗ приймає сигнали наземних радіостанцій, посилює їх і ретранслює інші наземні радіостанції. Супутники зв'язку виводяться на високі орбіти(До 40 тис. км). До ШСЗ цього типу належать радянський ШСЗ " " , американський ШСЗ "Сінком", ШСЗ "Інтелсат" та ін. Супутники зв'язку, виведені на стаціонарні орбіти, постійно знаходяться над певними районами земної поверхні.
Метеорологічні супутники призначені для регулярної передачі на наземні станції телевізійних зображень хмарного, снігового та льодового покривів Землі, відомостей про теплове випромінювання земної поверхні та хмар тощо. кмдо 1200–1500 км; смуга огляду з них сягає 2-3 тис. км. До метеорологічним супутникам відносяться деякі радянські ШСЗ серії "Космос", супутники "США", американські ШСЗ "Тірос", "ЕССА", "Німбус". Проводяться експерименти за глобальними метеорологічними спостереженнями з висот, що досягають 40 тис. км(радянський ШСЗ "Блискавка-1", американський ШСЗ "АТС").
Виключно перспективними з точки зору застосування народному господарствіє супутники для дослідження природних ресурсівЗемлі. Поряд із метеорологічними, океанографічними та гідрологічними спостереженнями такі ШСЗ дозволяють отримувати оперативну інформацію, необхідну для геології, сільського господарства, рибного промислу, лісового господарства, контролю забруднень природного середовища. Результати, отримані за допомогою ШСЗ та пілотованих космічних кораблів, з одного боку, та контрольні вимірювання з балонів та літаків – з іншого, показують перспективність розвитку цього напряму досліджень.
Навігаційні супутники, функціонування яких підтримується спеціальною наземною системою забезпечення, служать навігації морських кораблів, зокрема підводних. Корабель, приймаючи радіосигнали та визначаючи своє положення щодо ШСЗ, координати якого на орбіті в кожен момент відомі з високою точністю, встановлює своє місцезнаходження. Прикладом навігаційних ШСЗ є американські супутники "Транзит", "Навсат".
Пілотовані кораблі-супутники.Пілотовані кораблі-супутники і орбітальні станції, що живуть, є найбільш складними і досконалими ШСЗ. Вони, як правило, розраховані на вирішення широкого кола завдань, в першу чергу - на проведення комплексних наукових досліджень, відпрацювання засобів космічної техніки, вивчення природних ресурсів Землі та ін. льотчик-космонавт Ю. А. Гагарін здійснив політ навколо Землі по орбіті з висотою апогею 327 км. 20 лютого 1962 року вийшов на орбіту перший американський космічний корабель з космонавтом Дж. Гленном на борту. Новим кроком у дослідженні космічного простору за допомогою пілотованих ШСЗ був політ радянської орбітальної станції "Німеччина", на якій у червні 1971 екіпаж у складі Г. Т. Добровольського, В. Н. Волкова та В. І. Пацаєва виконав широку програму науково-технічних, медико-біологічних та ін. досліджень.
Літ.:Александров С. Р., Федоров Р. Є., Радянські супутники та космічні кораблі, 2 видавництва, М., 1961; Ельясберг П. Е., Введення в теорію польоту штучних супутників Землі, М., 1965; Руппе Р. О., Введення в астронавтику, пров. з англ., т. 1, М., 1970; Левантовський Ст І., Механіка космічного польоту в елементарному викладі, М., 1970; Кінг-Хілі Д., Теорія орбіт штучних супутників в атмосфері, пров. з англ., М., 1966; Рябов Ю. А., Рух небесних тіл, М., 1962; Меллер І., Введення у супутникову геодезію, пров. з англ., М., 1967. Див також літ. за ст. Космічний літальний апарат
Закордонні штучні супутники Землі. "Транзит".
Закордонні штучні супутники Землі. "Оскар-3".
Закордонні штучні супутники Землі. "ОСО-1".
Закордонні штучні супутники Землі. "Сінком-3".
Закордонні штучні супутники Землі. "Експлорер-25".
