Можно ли осуществлять связь между геостационарными спутниками с помощью ультразвуковых волн

Обновлено: 30.06.2024

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

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

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

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

Развитие геостационарных орбит

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

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

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

Основы теории Геостационарной орбиты

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

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

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

Дрейф на геостационарной орбите

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

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

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

Покрытие с геостационарной орбиты

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

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

Геостационарная орбита
и длина пути сигнала

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

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

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

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

Преимущества и недостатки спутников,
расположенных на геостационарной орбите

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

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

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

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

Спутниковая связь — вид радиосвязи, основанный на использовании искусственных спутников Земли (ИСЗ) в качестве ретрансляторов.

p, blockquote 1,0,0,0,0 -->

p, blockquote 2,0,0,0,0 -->

В 1957 году запустили первый спутник. Там стояли два передатчика на разных частотах, который передавал сигнал “БИП, БИП, БИП”. Это был первый, официальный, известный спутник, который преодолел первую космическую скорость ( 7 844 м/с на высоте 100 км ) и вышел на орбиту сделав несколько витков. Это был шар в котором был аккумулятор, два передатчика и антенна.

p, blockquote 3,0,0,0,0 -->

p, blockquote 4,0,0,0,0 -->

Потом оказалось, что с помощью спутника можно осуществлять связь, причем связь практически не ограниченная по расстоянию в пределах Земного шара. Низкочастотные радиоволны не проходят за ионосферу, они отражаются либо огибают Земной шар.

p, blockquote 5,0,0,0,0 -->

Когда переходим в УКВ диапазон часть энергии начинает проходить через ионосферу и уходить в космическое пространство. Это ограничивает связь по дальности на Земном шаре, но позволяет связываться с космическими аппаратами, а космический аппарат может связаться с наземными станциями, которые могут передавать ему сигнал и принимать сигнал со спутника. В зависимости от системы связи, земная станция может быть стационарной и подвижной, что не ограничивает использование спутниковой связи никаким образом.

p, blockquote 6,0,0,0,0 -->

p, blockquote 7,0,0,0,0 -->

Спутники используются, как ретрансляторы. Использование ИСЗ позволяет резко увеличить дальность радиосвязи, так как ретранслятор располагается высоко над Землей, от сотен до десятков тысяч км.

p, blockquote 8,0,0,0,0 -->

Спутники связи эта та часть космической программы человечества от которой есть польза для всех людей. Вот Гагарин слетал в космос и этим было доказано, что человека можно запустить в космос и он вернется живым и с непомутненным рассудком. Хотя, когда отправили второго космонавта Титова, это на уровне слухов, у него с головой было не все в порядке, Гагарин сделал один виток, может быть испугаться не успел, а Титов 17 витков. Но теперь люди сидят год на космической станции и все нормально.

p, blockquote 9,0,0,0,0 -->

Преимущества спутниковой связи

Большая пропускная способность, по сравнению с радиорелейной линией примерно тоже самое. Можно использовать широкий частотный диапазон.
Существуют спутники связи, которые обладают глобальным действием.
Высокое качество связи.

История развития спутниковой связи

23 апреля 1965 года в СССР был успешно запущен на высокую эллиптическую орбиту спутник Молния-1. На марке виден Земной шар, Советский Союз, а спутник находится на эллиптической орбите.

p, blockquote 10,0,0,0,0 -->

p, blockquote 11,0,0,0,0 -->

В одном из фокусов орбиты стоит Земной шар, спутники вращаются по орбите, спутник выходит, устанавливает связь с антенной и пока он находится в зоне видимости, связь спутник поддерживает, потом спутник уходит из зоны видимости и в это время в зону видимости должен войти второй спутник. На высокой эллиптической орбите должны быть минимум 3 аппарата, чтобы связь была непрерывной.

p, blockquote 12,0,0,0,0 -->

В рамках международной программы Intelsat первый коммерческий спутник связи Early Bird (Ранняя Пташка), произведенный корпорацией COMSAT был запущен 6 апреля 1965 года.

p, blockquote 13,0,1,0,0 -->

Основные разновидности ИСЗ

Конфигурация системы спутниковой связи зависит от типа ИСЗ, вида связи и параметров земной станции. Три основных разновидности ИСЗ в зависимости от орбиты спутника:

ИСЗ на высокой эллиптической орбите (ВЭО)
ИСЗ на геостационарной орбите (ГСО)
ИСЗ на низковысотной орбите (НВО)

p, blockquote 15,0,0,0,0 -->

ИСЗ на высокой эллиптической орбите (ВЭО)

Спутники типа “Молния” с периодом обращения 12 часов, наклоном орбиты 63 градуса, высотой апогея над северным полушарием 40 тыс. км.

p, blockquote 16,0,0,0,0 -->

У спутника переменная скорость. В области апогея скорость движения ИСЗ замедляется и обеспечивает радиовидимость 6…8 часов. 6…8 часов это то время, когда один спутник находится в рабочей зоне. Для обеспечения непрерывной связи на одной орбите необходимо расположить не менее трех спутников, а лучше 4.

p, blockquote 17,0,0,0,0 -->

Преимущества ИСЗ с ВСО большой размер зоны обслуживания.

p, blockquote 18,0,0,0,0 -->

Недостатки: необходимость слежения земных антенн за спутниками и переориентация этих антенн с заходящего спутника на восходящий.

p, blockquote 19,0,0,0,0 -->

ИСЗ на геостационарной орбите (ГСО)

ГСО это орбита, на которую если поставить спутник, он будет вращаться вместе с Землей с одинаковой скоростью. Он находится неподвижно относительно земной точки.

p, blockquote 20,0,0,0,0 -->

ГСО — круговая орбита с периодом обращения ИСЗ 24 часа, расположенная в плоскости экватора на высоте 35 875 км с поверхности Земли. Орбита синхронно вращается с вращением Земли, поэтому спутник находится неподвижно относительно земной поверхности.

p, blockquote 21,0,0,0,0 -->

Зона обслуживания одного спутника достигает треть поверхности Земли, т.е. 3-х спутников достаточно для глобальной сети.
Антенны земных станций не требуют систем слежения. Антенна неподвижна.
Не требуют сложной наземной аппаратуры, могут обеспечивать большое покрытие, но в зонах не сильно приближенных к полюсам Земли.

В северных широтах спутник виден под малыми углами к горизонту и совсем не виден в приполярных областях.

Но если в южном полушарии это не так страшно, то в северном Скандинавские страны, Россия, Канада находятся достаточно близко к полюсу и там геостационарные спутники связь не обеспечивают.

Ограничение на количество спутников на ГСО.
Достаточно высокая цена самого аппарата ИСЗ и его запуска.

ИСЗ на низковысотной орбите (НВО)

В настоящее время развиваются спутники связи на низковысотной орбите.Спутники запускаются на круговые орбиты, бывает полярная орбита, которая проходит через нулевой меридиан, плоскость которых наклонена к плоскости экватора. Наличие большого количества спутников на разных орбитах, позволяет добиться высокого покрытия поверхности Земли этими системами связи.

p, blockquote 25,0,0,0,0 -->

Высота орбиты 200…2000 км над поверхностью Земли. Спутники относятся к легкому классу и для их запуска можно использовать недорогой носитель, либо дорогой носитель, который сразу забросит на орбиту два десятка аппаратов, которые потом выводятся в нужной точке. Покрытие может быть глобальное.

p, blockquote 26,1,0,0,0 -->

Главный недостаток ИСЗ на НВО, спутники вращаются по круговым низким орбитам на достаточно высокой линейной скорости и от момента, когда спутник выходит в ту зону, где находится абонент, до того момента, когда он из этой зоны выходит, может проходить 20-40 минут. Для того, чтобы обеспечить хорошее покрытие, нужно много спутников.

p, blockquote 27,0,0,0,0 -->

Проблема космического мусора

Еще одна проблема, так называемая проблема космического мусора или засорения околоземного пространства остатками различных летательных аппаратов. Когда, какой-либо космический аппарат выводится из эксплуатации, в доброе старое время его просто отключали, на спутниках “Молния” с помощью пиропатронов отстреливали солнечные панели и спутник терял питание, превращался в кусок железа, который вращается на орбите, а потом с этой орбиты сходит. Когда спутников было 1, 2, 3 это было не страшно для человечества, хотя были печальные случаи, когда довольно массивные космические аппараты, не целиком сгорали при сходе с орбиты и падали туда, куда не надо.

p, blockquote 28,0,0,0,0 -->

Спутники, как правило имеют систему питания основанную на солнечных батареях. Но в свое время проводили эксперименты над спутниками у которых в качестве источника питания использовался генератор, который работает на основе ядерной реакции, т.е. распад какого-нибудь урана или плутония, при этом выделяется энергия, которая преобразуется в электричество, грубо говоря спутник с ядерным реактором. И такой советский спутник, содержащий радиоактивные материалы, приземлился на территорию Канады и был грандиозный скандал международный.

p, blockquote 29,0,0,0,0 -->

Сейчас в космосе вращается несколько десятков тысяч старых спутников и их остатков. Поэтому построение систем в которых используется большое количество спутников, оно чревато плачевными последствиями.

p, blockquote 30,0,0,0,0 -->

Также, наличие большого количества спутников на орбите приводит к тому, что эти спутники, создают световой экран, который мешает наблюдению ученым, через астрономические телескопы с Земли. Эти спутники создают яркие точки, которые все время находятся перед объективами телескопов.

p, blockquote 31,0,0,0,0 -->

Диапазоны частот спутниковой связи

Диапазоны частот, которые отведены в соответствии с Международным Союзом Электросвязи ITU, которые регламентировали использование частот. Частоты, как правило высокие СВЧ, потому что более низкие частоты хуже себя ведут, отражаются от ионосферы, а ВЧ хорошо затухают в этой атмосфере.

p, blockquote 32,0,0,0,0 -->

p, blockquote 33,0,0,0,0 -->

Чем выше подниматься по диапазону частот, тем хуже работает электроника.

p, blockquote 34,0,0,0,0 -->

Спутниковые службы

В зависимости от назначения систем спутниковой связи и типа земной станции различают следующие службы:

Фиксированная спутниковая служба для связи между станциями, расположенными в определенных фиксированных пунктах и для распределения телевизионных программ.
Подвижная спутниковая служба для связи между подвижными станциями,размещенными на транспортных средствах или у абонентов.
Радиовещательная спутниковая служба для передачи радио и телевизионных программ непосредственно на терминалы абонентов.

Фиксированные спутниковые службы

Начиналось всё с фиксированных спутниковых служб. Это связь с использованием космического ретранслятора между наземными станциями. И основное назначение это обеспечение связи в первую очередь для государственных нужд.

p, blockquote 36,0,0,0,0 -->

Фиксированные спутниковые службы начали использоваться государством для центральных телевизионных программ на удаленную территорию советского союза. Первоначально ФСС развивалась в направлении создания систем магистральной связи с применением наземных станций с диаметром антенн порядка 12…30 метров.

p, blockquote 37,0,0,0,0 -->

Фиксированная антенна с приемной станцией “Орбита”, диаметр антенны 12 метров. Система “Орбита” использовала спутники на высокоэллиптической орбите, это были первоначально спутники серии “Молния”. На эллипсе надо иметь 3 аппарата, как правило 4, чтобы обеспечить постоянную связь.

p, blockquote 38,0,0,0,0 -->

p, blockquote 39,0,0,1,0 -->

В настоящее время для фиксированных служб функционирует около 50 систем ФСС. Например, “Молния 3”.

p, blockquote 40,0,0,0,0 -->

p, blockquote 41,0,0,0,0 -->

На высокоэллиптической орбите используются аппараты, которые называются “Меридиан”. Спутники “Радуга” и “Горизонт” это геостационарные аппараты, которые обеспечивают фиксированную спутниковую связь. Intelsat это международная система.

p, blockquote 42,0,0,0,0 -->

Подвижные спутниковые службы

Особенностью большинства систем ПСС является маленький размер антенны терминала, что затрудняет прием сигнала. Востребованы на морском транспорте. Для того, чтобы мощность сигнала достигающего приемника была достаточной, применяют одно из двух решений:

Спутники располагаются на геостационарной орбите поскольку эта орбита удалена от Земли на расстояние 35 786 км, на спутник требуется установить мощный передатчик. Этот подход используется системой Inmarsat. Подвижная спутниковая связь начала свое существование с международного договора по созданию системы Inmarsat, которая была первоначально ориентирована на обеспечение связи с морскими судами.
Множество спутников располагается на наклонных или полярных НВО. Inmarsat и прочие системы основанные на спутниках, как правило предназначены для оказания коллективных услуг. А когда создается система на низковысотных спутниках, то можно за счет более низкой стоимость аппарата и низкой стоимости запуска, построить глобальную сеть, которая позволит Вам связываться из любой точки земного шара, через спутниковую сеть. Первой такой системой, была система Iridium.

Спутниковая система Iridium

Система базируется на 66 лёгких (масса 689 кг) ИСЗ, равномерно размещенных на 6 НВО. Орбиты через 60 градусов охватывают всю Землю. И на каждой орбите находится по 11 спутников, которые по очереди выходят в зону в которой находится абонент. Высота основной орбиты 780 км.

p, blockquote 44,0,0,0,0 -->

p, blockquote 45,0,0,0,0 -->

Орбиты разнесены на 30 или 60 градусов и каждый спутник поддерживает связь с тем спутником, который идет впереди и с тем, который идет сзади по его орбите. И с двумя спутниками, которые находятся на двух соседних орбитах. Такая связь позволяет передать сигнал с любого спутника на любой. Одновременно обеспечивается до 11 000 телефонных соединений.

p, blockquote 46,0,0,0,0 -->

p, blockquote 47,0,0,0,0 -->

Если у Вас есть терминал Iridium, где бы вы не находились, вы можете установить связь. Если вы находитесь в обычной зоне, где мобильная связь работает, то ваш терминал перейдет в режим работы мобильной связи и не нужно будет нагружать спутник. Кроме основных спутников, есть 4 резервных, которые находятся на резервной орбите.

p, blockquote 48,0,0,0,0 -->

Радиовещательная спутниковая служба

РСС реализует персонализацию, передачу радио и телепрограмм непосредственно на индивидуальные приемники абонентам.

p, blockquote 49,0,0,0,0 -->

Прохождение радиосигналов в спутниковых линиях связи имеют особенности. Запаздывание сигнала в спутниковой связи с искусственных определена временем прохождения сигнала Земля — спутник — Земля. tз=2Н/С₀

где Н — расстояние от спутника до поверхности Земли;
С₀ — скорость распространения электромагнитной энергии.

Для геостационарной орбиты tз =238 мс.

p, blockquote 51,0,0,0,0 --> p, blockquote 52,0,0,0,1 -->

Также имеется эффект Доплера это изменение частоты сигнала, который мы принимаем от движущегося источника или изменение частоты при движении. Для скоростей много меньше скорости света Vr/с˂˂1 изменение частоты составляет Δf=±f₀(Vr/с) для спутников “Молния” не более 6 кГц. Это нужно учитывать при настройке. В принципе для широкополосной системы 6 кГц может ничего не значит, а для стандартного телефонного канала в декаметровом диапазоне, если будет смещение 6 кГц, то вы вывалились бы из него, потому что там вся полоса пропускания может быть 3 кГц.

Основы геостационарной орбиты (Basics of the Geostationary Orbit)

Оригинал статьи находится здесь ( сайт CelesTrak WWW )

Д-р Т.С. Келсо

Немногие аспекты космической эры настолько сильно воздействовали на нашу повседневную жизнь как изобретение спутника связи. В нескольких словах, такие спутники соединили даже наиболее удаленные места земного шара способом, о котором совсем недавно можно было только думать. Фактически, сегодня возможно поговорить непосредственно с альпинистами на горе Эверест или соединиться через Интернет виртуально с любой компьютерной системой на поверхности планеты с помощью спутников связи.

В то время как спутники связи выполняют их миссии на орбитах многих типов, от околоземных совокупностей вроде Iridium и Globalstar до сильно наклоненных, с большим эксцентриситетом орбит российских спутников Molniya, одним из наиболее важных классов орбит для этих спутников является геостационарная орбита. В этой статье я хотел бы исследовать уникальные свойства орбиты этого класса, которые делают ее подходящей не только для спутников связи, но также и для раннего предупреждения и наблюдения погоды.

Предыстория

Понятие геостационарной орбиты появилось в начале двадцатого столетия. Очевидно, понятие было инициировано русским теоретиком Константином Циолковским, написавшим многочисленные научные и научно-фантастические статьи о космических путешествиях на рубеже столетий. В 1920-ых Hermann Oberth и Herman Potocnik (возможно, более известный под псевдонимом Herman Noordung) писали о космических станциях, которые имели уникальное преимущество перед Землей1. Все авторы описали орбиту на высоте 35900 километров с периодом, в точности равным периоду обращения Земли, что делает возможным парение над фиксированной точкой земного экватора.

Однако, человек, которому принадлежит наибольшая заслуга в развитии концепции использования этой орбиты для связи, это Arthur C. Clarke. В статье, которую он опубликовал в Wireless World в октябре 1945, названной "Внеземные ретрансляторы: могут ли ракетные станции обеспечить всемирный радиоохват?", Clarke экстраполирует современные ему ракетные исследования Herman ко дню, когда связь во всем мире была бы возможна через сеть трех геостационарных спутников, располагаемых через равные интервалы над земным экватором (см. рисунок 1).

Рисунок 1. Оригинальный рисунок из статьи Кларка в Wireless World в октябре 1945 2

В этой статье Clarke не только определяет орбитальные характеристики, необходимые для такой орбиты, но также обсуждает частоты и мощность, необходимые для связи земля-спутник, использование солнечного освещения для электропитания, он даже вычисляет воздействие солнечных затмений вблизи весенних и осенних равноденствий. Но что делает эту статью более замечательной — это то, что Clarke написал ее за более чем дюжину лет до запуска первого спутника.

Эта идея не была использована до 1963, когда NASA вознамерилось испытать концепцию Clarke в программе Synchronous Communications Satellite. К сожалению, Syncom 1, запущенный 14 февраля 1963, успешно достигнув геосинхронной орбиты по наклонению, потерпел неудачу по эксцентриситету из-за отказа электроники. Syncom 2, запущенный 26 июля 1963, стал первым действующим геосинхронным спутником связи. Syncom 3, запущенный 19 августа 1964, стал первым геостационарным спутником, окончательно осуществив предсказание, сделанное Clarke почти двадцатью годами ранее.

Теория

Что является геостационарной орбитой? В общих словах, это специальная орбита, на которой любой спутник, появившийся на ней, будет парить постоянно над одной точкой поверхности земли. Однако, в отличие от всех других классов орбит, где может иметься совокупность орбит, имеется только одна геостационарная орбита. Давайте исследуем уникальные характеристики этой орбиты.

Любая орбита, чтобы быть геостационарной, должна прежде всего быть геосинхронной. Геосинхронная орбита — любая орбита, которая имеет период, равный периоду обращения Земли. Как мы скоро увидим, этого требования недостаточно, чтобы гарантировать фиксированное положение относительно земли. В то время, как все геостационарные орбиты должны быть геосинхронными, не все геосинхронные орбиты являются геостационарными. К сожалению, эти термины часто используются невпопад.

Перед тем, как продолжить, необходимо пояснить, что же предполагается под "периодом обращения Земли". В большинстве случаев мы полагаем, что вращение земли измеряется относительно (среднего) положения Солнца. Однако, поскольку Солнце движется относительно звезд (инерциальное пространство) в результате вращения Земли вокруг Солнца, один средний солнечный день не является периодом, который нас интересует. Геосинхронный спутник завершает оборот вокруг земли за то же время, которое требуется Земле, чтобы выполнить один оборот в инерциальном (или фиксированном) пространстве. Этот интервал времени известен как один сидерический день и равен 23h56m04s среднего солнечного времени (см. также "Орбитальные системы координат, часть I" в выпуске Satellite Times за сентябрь/октябрь 1995). Без любых прочих влияний, точка земли будет иметь ориентацию в инерциальном пространстве в том же направлении, что и спутник с этим периодом обращения при возвращении в определенную точку его орбиты.

Чтобы гарантировать, что спутник останется над определенной точкой на поверхности земли, орбита должны также быть круговой и иметь нулевое наклонение. Рисунок 2 показывает различие между геостационарной орбитой (GSO) и геосинхронной орбитой (GEO) с наклонением 20 градусов. Обе орбиты — круговые. В то время, как каждый из спутников завершит оборот в тот же самый момент времени, очевидно, что геосинхронный спутник будет двигаться к северу и к югу от экватора в течение его обращения, в то время как геостационарный спутник не будет.

Рисунок 2. Геостационарные и геосинхронные орбиты

Орбиты с ненулевым эксцентриситетом (то есть скорее эллиптические, чем круговые орбиты) приведут к смещениям то к востоку, то к западу, поскольку спутник движется быстрее или медленнее в различных точках его орбиты. Комбинации ненулевого наклонения и эксцентриситета дадут весь спектр перемещений относительно фиксированной точки земли.

На рисунке 3 показаны некоторые типичные результаты. Похожая на восьмерку наземная трасса — результат движения по геосинхронной орбите (GEO), показанной на рисунке 2. Геостационарный спутник (GSO) находится фиксированным в точке пересечения линии в фигуре восьмерки (над экватором). Если мы теперь придадим геосинхронному спутнику эксцентриситет 0.10, результатом будет наклонная в форме слезинки трасса. Как правило, эксцентрические геосинхронные орбиты имеют трассой фигуру, похожую на наклоненную восьмерку, однако в данном случае точка пересечения сместилась к северной вершине наземной трассы [т.е. получилась искаженная восьмерка; прим. перев.].

Рисунок 3. Геосинхронные земные трассы

Теперь должно быть очевидно, что только спутники, которые обращаются по орбите с периодом, равным периоду обращения Земли и с нулевым эксцентриситетом и наклонением, могут быть геостационарными спутниками. Раз так, имеется только одна геостационарная орбита — пояс, окружающий экватор земли на высоте приблизительно 35786 километров.

Должно также быть ясно, что невозможны орбиты спутников, висящих над точкой земной поверхности, которая не находится на экваторе. Это ограничение, однако, не столь серьезно, поскольку большая часть поверхности земли видима с геостационарной орбиты. Фактически, с одиночного геостационарного спутника видно 42 процента поверхности земли, и совокупность геостационарных спутников, подобная предложенной Кларком, охватывает пояс на поверхности земли между 81° южной широты и 81° северной.

Конечно, преимущество спутника на геостационарной орбите состоит в том, что он остается постоянным относительно поверхности земли. Это делает ее идеальной орбитой для связи, так как нет необходимости сопровождать спутник, чтобы определить, куда направлять антенну. Однако, имеются и некоторые недостатки. Возможно, первый из них — большое расстояние между спутником и земной поверхностью. Имея достаточную мощность или достаточно большую антенну, тем не менее, это ограничение можно преодолеть.

Тот факт, что имеется только одна геостационарная орбита, представляет более серьезное ограничение. Точно как в случае размещения бусинок на веревочной петле, имеются ограниченное количество мест, в которые геостационарные спутники могут быть помещены. Основное ограничение состоит в разнесении спутников вдоль геостационарного пояса с тем, чтобы ограниченное количество частот, предназначенных для связи, не привело к интерференции частот разных спутников при приеме и передаче. Конечно, мы также хотим быть уверены, что спутники достаточно далеки, чтобы не сталкиваться друг с другом, так как они будут иметь некоторые малые перемещения.

В то время, как новые спутники связи могут быть помещены первоначально на истинную геостационарную орбиту, имеются некоторые силы, которые изменяют орбиты со временем. Так как геостационарная орбитальная плоскость не совпадает с плоскостью орбиты Земли (эклиптикой) или плоскостью орбиты Луны, гравитационное притяжение Солнца и Луны действует так, чтобы переместить геостационарные спутники с их экваториальной орбиты, постепенно увеличивая орбитальное наклонение каждого спутника. Кроме того, некруговая форма земного экватора заставляет эти спутники медленно стягиваться к одной из двух точек устойчивого равновесия вдоль экватора, приводя к восточно-западной либрации (дрейфу назад и вперед) относительно этих точек.

Чтобы противодействовать этим возмущениям, все геостационарные спутники имеют достаточное количество топлива для периодических коррекций орбиты во время запланированного срока службы спутника. Эти периодические коррекции известны как "поддержание неизменного положения". Коррекция север/юг возвращает медленно увеличивающееся наклонение назад к нулевому, а коррекция восток/запад удерживает спутник в его назначенном положении в пределах геостационарного пояса. Эти меневры планируются для поддержания геостационарного спутника в пределах малого отклонения от его идеального расположения (как в направлении север/юг, так и восток/запад). Этот допуск обычно задается, чтобы гарантировать нахождение спутника в пределах ширины луча земной антенны без дополнительного слежения.

Если спутник израсходует топливо, его наклонение начнет расти и он начнет дрейфовать по долготе, и тогда он может представлять угрозу другим геостационарным спутникам. Часто геостационарные спутники переводятся на немного более высокую орбиту в конце их запланированного срока службы, чтобы предотвратить их столкновение с другими геостационарными спутниками. Этот последний маневр предполагает, что нет никакого незапланированного отказа, который помешал бы этому (вроде неисправностей в электропитании или отказа связи).

Резюме

Это начальная статья о геостационарных и геосинхронных орбитах должна дать вам основы понимания некоторых из фундаментальных орбитальных концепций. В нашей следующей статье я хотел бы продолжить это обсуждение, исследуя взаимосвязь наблюдателя, спутника и солнца, чтобы определить долготу геостационарного спутника, углы наблюдения для наземного наблюдателя и обсудить, как положение солнца может воздействовать на бортовое энергоснабжение и мешать спутниковой связи.

Примечания

1 Oberth, Hermann. Die Rakete zu den Planetenraumen (The Rocket into Interplanetary Space), 1923. Noordung, Herman. Das Problem der Befahrung des Weltraums (The Problem of Space Travel), 1929.
2 Clarke, Arthur C. "Extra-Terrestrial Relays: Can Rocket Stations Give World-wide Radio Coverage?" Wireless World, October 1945, p. 306.

Спутник — это объект, который вращается вокруг другого объекта. Например, Земля — это спутник Солнца, а Луна — спутник Земли.

Спутник связи — это ретрансляционная станция с микроволнами в пространстве, которое используется для телекоммуникационных, радио и телевизионных сигналов. Спутник связи обрабатывает данные, поступающие с одной земной станции, и преобразует данные в другую форму и отправляет их на вторую земную станцию.

Как работает спутник

Две земные станции хотят общаться через радиовещание, но слишком далеко, чтобы использовать обычные средства. Две станции могут использовать ретрансляционную станцию для связи. Одна земная станция передает сигнал на спутник.

Частота восходящей линии связи — это частота, на которой наземная станция осуществляет связь со спутником. Спутниковый ретранслятор преобразует сигнал и отправляет его на вторую земную станцию, и это называется частотой нисходящей линии связи . Вторая земная станция также связывается с первой таким же образом.

Преимущества спутника

Преимущества спутниковой связи следующие:

Зона покрытия очень высокая, чем у наземных систем.
Стоимость передачи не зависит от зоны покрытия.
Возможны более высокие полосы пропускания.

Недостатки спутника

Недостатки спутниковой связи заключаются в следующем —

Запуск спутников на орбиты — это дорогостоящий процесс.
Полосы пропускания постепенно израсходованы.
Высокая задержка распространения для спутниковых систем, чем для обычных наземных систем.

Основы спутниковой связи

Процесс спутниковой связи начинается на земной станции . Здесь установка предназначена для передачи и приема сигналов со спутника на орбите вокруг Земли. Земные станции посылают информацию на спутники в виде мощных высокочастотных сигналов (в диапазоне ГГц).

Спутники принимают и ретранслируют сигналы обратно на Землю, где они принимаются другими земными станциями в зоне покрытия спутника. Зона действия спутника — это область, которая получает сигнал полезной силы от спутника.

Система передачи от земной станции к спутнику через канал называется восходящей линией связи . Система от спутника до земной станции через канал называется нисходящей линией связи .

Спутниковые полосы частот

Полосами частот спутника, которые обычно используются для связи, являются Cband, Ku-band и Ka-band . C-диапазон и Ku-диапазон являются наиболее часто используемыми частотными спектрами на современных спутниках.

Важно отметить, что существует обратная зависимость между частотой и длиной волны, т.е. когда частота увеличивается, длина волны уменьшается, это помогает понять связь между диаметром антенны и частотой передачи . Большие антенны (спутниковые антенны) необходимы для сбора сигнала с увеличением длины волны.

Земные Орбиты

Спутник, когда он запускается в космос, должен быть размещен на определенной орбите, чтобы обеспечить определенный путь для его революции, чтобы поддерживать доступность и служить своей цели, будь то научный, военный или коммерческий. Такие орбиты, которые назначены спутникам относительно Земли, называются Земными Орбитами . Спутники на этих орбитах являются спутниками Земли.

Геосинхронные спутники земной орбиты (GEO)

Геосинхронный спутник на орбите Земли расположен на высоте 22 300 миль над Землей. Эта орбита синхронизирована со сторонним реальным днем (т. Е. 23 часа 56 минут). Эта орбита может иметь наклон и эксцентриситет . Это не может быть круглым. Эту орбиту можно наклонить на полюсах Земли. Но он выглядит неподвижным при наблюдении с Земли.

Та же геосинхронная орбита, если она круглая и находится в плоскости экватора, называется геостационарной орбитой. Эти спутники расположены на высоте 35 900 км (так же, как и геосинхронные) над экватором Земли, и они продолжают вращаться относительно направления Земли (с запада на восток). Эти спутники считаются стационарными относительно Земли, и, следовательно, из названия следует.

Геостационарные спутники Земли используются для прогнозирования погоды, спутникового телевидения, спутникового радио и других видов глобальной связи.

На приведенном выше рисунке показана разница между геосинхронной и геостационарной орбитами. Ось вращения указывает на движение Земли.

Основной момент, который следует здесь отметить, заключается в том, что каждая геостационарная орбита является геосинхронной орбитой. Но каждая геосинхронная орбита НЕ является геостационарной.

Среднеорбитальные спутники (MEO)

Спутниковые сети со средней околоземной орбитой (MEO) будут вращаться на расстоянии около 8000 миль от поверхности Земли. Сигналы, передаваемые со спутника MEO, перемещаются на меньшее расстояние. Это приводит к улучшению уровня сигнала на приемном конце. Это показывает, что меньшие, более легкие приемные терминалы могут использоваться на приемном конце.

Поскольку сигнал проходит меньшее расстояние до спутника и от него, задержка передачи уменьшается. Задержка передачи может быть определена как время, необходимое для прохождения сигнала на спутник и обратно на приемную станцию.

Для связи в реальном времени, чем короче задержка передачи, тем лучше будет система связи. Например, если спутнику GEO требуется 0,25 секунды для прохождения туда и обратно, то спутнику MEO требуется менее 0,1 секунды для завершения той же поездки. MEO работает в диапазоне частот от 2 ГГц и выше.

Спутники на низкой околоземной орбите (LEO)

Спутники LEO в основном подразделяются на три категории: маленькие LEO, большие LEO и Mega-LEO. НОО будут находиться на орбите на расстоянии от 500 до 1000 миль над поверхностью Земли.

Это относительно короткое расстояние уменьшает задержку передачи до 0,05 секунды. Это дополнительно снижает потребность в чувствительном и громоздком приемном оборудовании. Маленькие LEO будут работать в диапазоне 800 МГц (0,8 ГГц). Большие LEO будут работать в диапазоне 2 ГГц или выше, а Mega-LEO работают в диапазоне 20-30 ГГц.

Более высокие частоты, связанные с Mega-LEO, приводят к большей пропускной способности информации и дают возможность использовать схему передачи видео с низкой задержкой в реальном времени.

Высотные платформы с большой выносливостью (HALE)

Экспериментальные платформы HALE — это в основном высокоэффективные и легкие самолеты с оборудованием связи. Это будет действовать как геосинхронные спутники с очень низкой орбитой Земли .

Эти корабли будут работать от батареи и солнечной энергии или от высокоэффективных турбинных двигателей. Платформы HALE будут предлагать задержки передачи менее 0,001 секунды на высоте всего 70000 футов и даже более сильный уровень сигнала для очень легких портативных приемных устройств.

Орбитальные Слоты

Здесь может возникнуть вопрос, что с более чем 200 спутниками на геосинхронной орбите, как мы можем предотвратить их столкновение или попытки использовать одно и то же место в космосе? Чтобы решить эту проблему, международные регулирующие органы, такие как Международный союз электросвязи ( МСЭ ) и национальные правительственные организации, такие как Федеральная комиссия по связи ( FCC ), определяют места на геосинхронной орбите, где могут находиться спутники связи.

Эти местоположения указаны в градусах долготы и называются орбитальными пазами . FCC и ITU постепенно сократили необходимый интервал до 2 градусов для спутников C-диапазона и Ku-диапазона из-за огромного спроса на орбитальные интервалы.

Читайте также: