Особенности искусственных спутников земли на примере спутниковых систем связи (стр. 2 из 3)

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

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

III. Спутниковые системы связи.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Системы связи с использованием низкоорбитальных ИСЗ

Первыми для целей связи были применены низкоорбитальные ИСЗ.

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

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

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

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

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

Системы связи с ИСЗ на высокоэллиптических орбитах

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

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

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

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

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

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

Системы с геостационарными ИСЗ

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