Глава 1 запуск спутников. Спутники ретрансляторы на геостационарной орбите

Вывод спутников на геостационарную орбиту

В октябре 1945 года английский писатель - фантаст Артур Кларк, автор произведений "2001 год: "Космическая Одиссея", "Конец детст­ва", "Свидание с рамой" и др. в журнале "Wireless World" высказал идею, что искусственные спутники Земли, находясь над Экватором на высоте примерно 35780 км, могут быть использованы для ретрансляции радиосигналов. Согласно его идее антенна, направ­ленная с Земли на спутник, излучает радиосигналы, содержащие информацию. Они принимаются ретрансляционной станцией, распо­ложенной на спутнике и после электронной обработки передаются на наземные приемные станции. Эти станции могут находиться в любом месте, попадающем в зону излучения антенн спутника.

По представлению Артура Кларка, при помощи трех, находя­щихся на геостационарной орбите спутников, расположенных на равных расстояниях друг от друга, можно создать канал связи меж­ду любыми двумя точками Земли (за исключением околополюсных районов) в том случае, если связь существует и между спутниками.

Большинство спутников-ретрансляторов движется по так назы­ваемой геостационарной орбите (рис. 1.1). Эта орбита круговая и ха­рактеризуется тем, что если находящиеся на ней спутники движутся с угловыми скоростями, равными угловой скорости вращения Земли вокруг своей оси, то с поверхности Земли они кажутся неподвижны­ми, "висящими" на одном месте, в одной точке. Так как расстояние от движущегося по геостационарной орбите спутника до Земли в три раза больше диаметра Земли, то спутник "видит" сразу около 40% земной поверхности.

Вывод искусственных спутников на геостационарную орбиту -задача непростая. Раньше для запуска на нее не имелось доста­точно мощных ракетоносителей, поэтому первые спутники связи находились на эллиптической, низкой околоземной орбите (напри­мер, первый американский спутник-ретранслятор Telstar).

Западная долгота (W) / IS Восточная долгота (Е) Нулевой меридиан

Рис. 1.1. Геостационарная орбита находится на высоте 35786 км от поверхности Земли и расположена в плоскости Экватора

Поддержание связи со спутниками на эллиптической орбите очень сложное и дорогостоящее дело как в части передачи, так и приема.

Из-за быстрого изменения местоположения спутников необхо­димо иметь подвижную систему следящих антенн. Спутники на таких орбитах можно использовать для создания постоянной связи только тогда, когда они по отношению как передающего, так передающего, устройства находятся над уровнем горизонта, то есть для них должен быть виден как "восход" одного спутника, так и "заход" другого.

Развитие ракетной техники и создание мощных ракетных носителей дали возможность широко использовать геостационарную орбиту для "установки" на ней спутников-ретрансляторов телевизионных программ. На рис. 1.2 показан часто применяемый способ вывода спутников на геостационарную орбиту¹. Искусственный спутник выводят сначала на круговую орбиту, близкую к поверхности Земли (250...300 км от поверхности), затем, повышая его скорость, переводят на эллиптическую промежуточную орбиту, ближайшая точка которой - перигей находится примерно на расстоя­нии 270 км от Земли, а удаленная точка - апогей на расстоянии,

Рис 1.2. Последовательность вывода спутника на геостационарную орбиту: 1 - сброс обтекателя; 2 - завершение начального полета; 3 - полное отделение последней ступени; 4 - определение положения для первого включения собствен­ного (апогейного) двигателя; 5 - первое включение собственного двигателя для выхода на промежуточную (переходную) орбиту; 6 - определение положения на промежуточной орбите; 7 - второе включение собственного двигателя для выхода на геостационарную орбиту; 8 - переориентация плоскости орбиты спутника и кор­рекция ошибок; 9 - ориентация спутника перпендикулярно к плоскости орбиты и коррекция ошибок; 10 - остановка, раскрытие панелей солнечных батарей, полная расстыковка; 11 - раскрытие антенн, включение стабилизаторов; 12 - стабилизация положения и начало работы

около 36000 км, которая уже соответствует высоте геостационар­ной орбиты.²

Когда искусственный спутник "станет" на эллиптическую проме­жуточную (переходную) орбиту, и, если у него все функционирует безупречно, то в точке апогея включаются его собственные реак­тивные, так называемые, апогейные двигатели, которые быстро увеличивают линейную скорость спутника до 3,074 км /с. Такая ско­рость необходима для перехода на геостационарную орбиту и "ос­тановки" (точнее для движения по ней), после чего спутник по командам с Земли перемещают по геостационарной орбите на пла­новую позицию в точку стояния. Затем осуществляют раскрытие панелей солнечных батарей, развертывание антенн, их ориента­цию на заданную территорию Земли, ориентацию солнечных бата­рей на Солнце и включение бортового передатчика-ретранслятора. Точная установка спутника на геостационарной орбите проводится его собственными реактивными двигателями, работающими на твердом или жидком топливе. После того как спутник выведен в точку стояния на орбите, двигатели отключаются и он движется по геостационарной орбите как небесное тело под воздействием инерции со скоростью 3,074 км/с и сил притяжения Земли. Для спутника-ретранслятора очень, важно, чтобы его собственная орби­та соответствовала бы идеально геостационарной. Так, если спут­ник движется по орбите, которая несколько меньше геостационар­ной, то он постепенно смещается со своей позиции в западном на­правлении, а если его орбита превышает геостационарную, то смещение происходит в восточном направлении, т. е. по направле­нию движения Земли. Сдвиг на 1° на геостационарной орбите соот­ветствует расстоянию на ней примерно в 750 км. При наличии в наземном приемном устройстве поворотной следящей антенны ее несложно снова точно направить на спутник. Однако большинст­во индивидуальных наземных устройств для приема со спутников имеют неподвижные антенны с очень узкими, "игольчатыми" диа­граммами направленности, и постоянно корректировать направле­ние антенны на спутник ручным способом довольно обременитель­но, а из-за неточности ее наведения принимаемое телевизионное изображение заметно ухудшается или вовсе исчезает. В связи с этим в целях надежного и уверенного приема необходимо обес­печить постоянный во времени "след" спутника, стабильность излу­чения его бортовых антенн только на отведенную территорию. По­этому спутнику нужно часто проводить коррекцию своего положения и орбиты, что осуществляется им при помощи собственных двига­телей и приводит к расходу топлива. Это влияет на его срок служ­бы. При отсутствии топлива для двигателей спутник начинает сме­щаться со своей позиции, что приводит к периодическому сближе­нию соседних спутников и, соответственно, к увеличению взаимных помех, и к увеличению помех приемным устройствам на Земле. Из-за ограниченной способности выдерживать заданное положение первые геостационарные спутники раскачивались, поэтому в на­земных приемных и передающих устройствах невозможно было отказаться от системы поворотных, следящих антенн. В настоящее время допустимая нестабильность положения спутника ("след"), представляющая одну из важнейших его характеристик, установле­на на основе международных рекомендаций.

С точки зрения срока функционирования спутника крайне важ­ным является количество топлива, потребляемого его собственны­ми реактивными (апогейными) двигателями. И, очевидно, чем больше останется топлива после первичной установки спутника на орбите, тем больше корректировок положения можно сделать и, следовательно, тем дольше будет функционировать спутник. Про­должительность "жизни" спутника на орбите обычно составляет 5...7 лет, а некоторых - 10 лет и более, после чего он заменяется новым, резервным, устанавливаемым на той же позиции.

Преимущества геостационарной орбиты

Геостационарная орбита ( в Англии и в некоторых странах Евро­пы ее называют поясом Кларка ) является уникальной и представ­ляет значительную эксплуатационную ценность. Ряд экваториаль­ных государств раньше хотели, чтобы участок орбиты, находящий­ся над их территорией, использовался бы только по договоренно­сти с ними. Не экваториальные страны, естественно, с этим согла­ситься не могли, рассматривая геостационарную орбиту как общее достояние человечества. Лишь в 1988 г. удалось согласовать план распределения позиций спутников для вещания в диапазонах час­тот 6/4 ГГц и 14/11 ГГц.

Преимущества геостационарной орбиты стимулируют все большее количество пользователей размещать на ней спутники различного назначения. С европейского континента можно "наблюдать" несколько десятков искусственных спутников, движущихся на геостационарной орбите. Через них осуществляется в первую очередь телефонная связь со странами американского континента и странами Ближнего Востока. Кроме того, много спутников задействовано для ретрансляции телевизионного и ра­диовещания. Использование геостационарной орбиты для этих целей дает следующие преимущества:

□ спутник движется по геостационарной орбите с запада на вос­ток длительное время без затрат энергии на это движение (как небесное тело) благодаря гравитационному притяжению Земли и собственной инерции, с линейной скоростью 3,074 км/с;

□ движущийся по геостационарной орбите с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения Земли, спутник совершает оборот точно за одни сутки, вследствие чего он оказывается неподвижно "висящим" над земной поверхностью;

□ энергоснабжение его систем осуществляется от солнечных батарей, освещаемых Солнцем;

□ поскольку спутник не пересекает радиационный пояс Земли, а находится выше его, то увеличивается надежность и ресурс работы его электронных устройств и источников питания - солнечных ба­тарей;

□ связь с передающей станцией осуществляется непрерывно, без переключения с одного "заходящего" спутника на другой -"восходящий", то есть для обеспечения непрерывной постоянной связи необходим только один спутник;

□ в передающих антеннах в системе Земля-спутник устройства автоматического слежения за спутником могут быть упрощены или исключены вовсе, а в наземных приемных антеннах в них фактически нет необходимости, что обеспечивает простоту приемных устройств, их дешевизну, доступность и массовость рас­пространения;

□ так как расстояние до спутника на геостационарной орбите всегда постоянно (геостационарная орбита круговая,), то ослабление сигнала при прохождении по трассе Земля —> спутник —> Земля всегда определенное, не изменяющееся при движении спутника по орбите, что позволяет точно рассчитать мощность его бортового передатчика;

□ геостационарная орбита уникальна - спутники, расположенные на орбитах выше ее, "уходят" в космическое пространство, а, расположенные на орбитах ниже, - постепенно приближаются к Земле. И только спутники, находящиеся на геоста­ционарной орбите, синхронно вращаются на постоянном расстоя­нии от Земли и неподвижны относительно нее;

□ после окончания срока функционирования спутник переводит­ся на так называемую "кладбищенскую" орбиту, которая находится на 200 км выше геостационарной, и он постепенно удаляется от Земли в космическое пространство.

Если спутник находится ниже геостационарной орбиты, то он медленно приближается к Земле и сгорает (возможно не полностью) в плотных слоях атмосферы.

Благодаря своим уникальным свойствам и преимуществам геостационарная орбита на наиболее удобных участках (особенно над Тихим и Индийским океанами, а так же над Африканским континентом) "заселена" спутниками до предела. На геостационарной орбите определено 425 точек "стояния" - позиций спутников. Слово "позиция" однозначно определяет положение спутника на геостационарной орбите - его долготу.

Рис. 1.3 Видимость с нулевой долготы и со средних широт некоторых спутников-ретрансляторов, находящихся на геостационарной орбите в 1999-2000 гг

Например, на позиции 19,2° е. д. находится шесть спутников ASTRA 1A-ASTRA G, на позиции 13° в. д. - пять спутников семейства Hot Bird и т. д. На каждой позиции может находиться до десяти спутников. Функционирующих спутников на геостационарной орбите множество и количество их ежегодно увеличивается. Они "устанавливаются" на ор­бите согласно планам ВАКР 1977 и 1988 гг. Среди них имеются спутники, ретранслирующие радио- и телевизионные программы, а также спутники, предназначенные для обеспечения телефонной связи между странами и континентами. Некоторые из них "завершают" свою работу, перестают существовать и заменяются новыми, устанавливаемыми на той же позиции. Поэтому положение на геостационарной орбите в общем мало изменяется и, если смотреть с северного полушария на юг, геостационарная орбита выглядит на южной стороне небосвода в виде дуги, на которой расположены спутники-ретрансляторы различного назначения (рис. 1.3). Чем север­нее широта наблюдения, тем меньше дуга, тем меньше спутников вид­но на ней. Расстояние от спутника, находящегося на геостационарной орбите, до географической точки приема зависит от места ее расположения на поверхности Земли. Так, если точка приема находит­ся на экваторе, то расстояние до спутника составляет 35786 км; если она находится в средних широтах, то расстояние - около 37400 км и, если расположена в полярных широтах, расстояние до спутника уве­личивается до 41600 км. Это при условии, что точка приема находится на одной и той же долготе, что и спутник. Если долгота точки приема и долгота точки стояния спутника не совпадают, что характерно для большинства случаев, то расстояние увеличивается за счет увеличения наклонной дальности и может быть определено по формуле (2.3).