Устройства регулировки и распределения в системе энергоснабжения

Эти устройства обеспечивают работу электронных блоков спутни­ка стабилизированным напряжением, зарядку аккумуляторных бата­рей, а также защиту всей системы энергоснабжения от перегрузок. Необходимость стабилизации напряжения вызвана тем, что рабочее напряжение солнечных батарей зависит от таких условий как осве­щенность, от температуры окружающей среды и т.п. Например, когда температура солнечных батарей буквально в течении нескольких минут сразу после выхода спутника из тени повышается с минуса 180°С до +60°С, напряжение, вырабатываемое солнечными бата­реями, может превысить установленное номинальное в 2,5 раза, по­этому принимаются необходимые меры по его стабилизации.

Следует отметить, что на поверхности спутника может накапли­ваться статический электрический заряд, создающий разность по­тенциалов между отдельными узлами спутника до 20 кВ, и что весьма опасно для функционирования электронных узлов и блоков. Для устранения электризации все корпуса узлов, металлические оплетки кабелей соединяют с корпусом основной платформы и эк­ранируют полупроводниковые устройства от воздействия электро­магнитных наводок.

Система поддержания температурного режима аппаратуры спутника

На орбите спутник подвержен воздействию излучений из космо­са - электронов, протонов. Кроме этого, существенное влияние оказывает температура, так как одну его сторону нагревают сол­нечные лучи до +60°С, а другая сторона охлаждается космическим пространством до минуса 180°С. Задача системы регулировки тем­пературы заключается в том, чтобы поддерживать температуру функциональных узлов спутника в допустимых пределах и обеспечить космическим пространством происходит в основном через излучение энергии в вакууме. Источниками тепловой лучистой энергии, получаемой спутником извне, являются Солнце и Земля. Количество поглощаемой им энергии зависит от его геометрического положения по отношению к Солнцу, от качества обработки' его (спутника) по­верхности, спектра солнечного излучения. Температуру спутника можно рассчитать исходя из плотности энергии солнечного излуче­ния, падающей на его поверхность, которая близка к плотности энер­гии, падающей на земную поверхность, и ее значение примерно рав­но 1,39 кВт/м². Количеством тепла, получаемого спутником от Земли, можно пренебречь. Кроме этого, учитывается, что:

• максимальное время нахождения спутника в тени Земли со­ставляет 70 мин;

• "северная" и "южная" стороны спутника попеременно, по шесть месяцев, находятся то в тени Земли, то под лучами яркого Солнца, угол падения которых составляет 23°;

П тепловыделения внутри спутника при работе его электронных устройств довольно большие, - от ламп бегущей волны, на которых собраны выходные каскады передатчиков и особенно от нагрева волноводов при распространении в них электромагнитных волн частот 12 ГГц и выше, так как сечение волноводов мало, а мощ­ность, передаваемая по ним, значительная. Для отвода избыточно­го тепла используются газожидкостные теплоносители, которые прокачиваются по трубам и подаются к охлажденным участкам для обогрева.³

Структура спутников-ретрансляторов телевизионного

вещания

Основные функции. Спутники на геостационарной орбите обеспечивают прием информации со станций, находящихся на Земле и передачу ее многочисленным наземным абонентам - при­емным устройствам. В этой системе они выполняют роль станции повторения - ретранслятора. Такие спутники выполняют следую­щие основные функции:

□ принимают сигналы (выделенном диапазоне частот), пере­даваемые со станции на Земле в направлении спутника;

□ усиливают принятые сигналы;

□ преобразовывают частоту принятых сигналов в частоту сигна­лов, предназначенных для передачи в направлении спутник- Земля;

□ ретранслируют (передают) преобразованные и усиленные сигналы многочисленным наземным приемным устройствам только на отведенную территорию.

Структурная схема спутника-ретранслятора, стабилизированно­го по трем осям, показана на рис. 1.7. Функционально спутник со­стоит из пяти основных частей и включает в себя: модуль антенн, приемоусилительный и передающий блоки (они соединяются с мо­дулем антенн волноводным трактом), модуль стабилизации и кор­рекции положения спутника на орбите, включая двигатели, систему обеспечения электроэнергией с солнечными батареями.

Антенны спутника-ретранслятора

Антенны, расположенные на спутнике-ретрансляторе, занимают особое место в его конструкции. В отличие от наземных станций, имеющих в своем составе одну, на борту современных спутников устанавливают несколько приемных и передающих антенн или приемопередающих. Антенны спутника-ретранслятора:

□ имеют высокий коэффициент усиления, что позволяет созда­вать на обслуживаемой земной территории необходимую для каче­ственного приема плотность потока мощности (ППМ). Это дает возможность использовать ПРД с пониженной выходной мощно­стью, потребляемой от систем энергоснабжения спутника, что уве­личивает срок его службы;

□ имеют острую диаграмму направленности и низкий уровень боковых лепестков, в результате это приводит к уменьшению вза­имных помех между соседними спутниками и другими системами связи.

□ должны концентрировать излучаемые электромагнитные вол­ны, несущие информацию, только на отведенную территорию, что­ бы не создавать помех другим приемным устройствам.

Для реализации приведенных свойств на спутнике устанавливает­ся несколько антенн больших размеров с параболоидной поверхно­стью. Данные дистанционных измерений, а также данные контроля и управления передаются либо через рупорные, либо через большие параболические антенны (позиция 1а). Если передача ведется на частотах связи, то применяются рупорные антенны (позиция 1Б).

Во время запуска и вывода спутника на орбиту для передачи команд управления и контроля применяется штыревая всенаправленная антенна (позиция 1в), так другие антенны в этот момент находятся в нераскрытом состоянии

Рис. 1.7. Структурная схема спутника-ретранслятора, стабилизированного

по трем осям

Антенны в современных спутниках (рис. 1.8) устанавливаются на индивидуальные поворотные устройства, что дает возможность по команде с Земли поворачивать каждую антенну независимо друг от друга на некоторый угол. Так в российском спутнике ГАЛС 16Р каж­дая из трех антенн может индивидуально поворачиваться на угол в пределах ± 8° и, кроме этого, имеются две антенны, установленные на общую платформу, которые вместе можно повернуть на такой же угол. Это практично, так как подобная конструкция позволяет обслуживать поочередно большие территории, расположенные в разных временных поясах, что для России очень важно.

Рис. 1. 8. Расположение антенн на ранее запускаемых (советских) спутниках

Приемопередающий блок спутника-ретранслятора

Приемопередающий блок спутника вместе с антеннами пред­ставляет собой спутниковый ретранслятор (транспондер). Это главная часть передающей системы. Для того, чтобы создать зону покрытия (излучения,), которая наилучшим образом соответствова­ла бы конфигурации обслуживаемой территории, большинство спутников имеют несколько ретрансляторов и антенн с узкими диа­граммами направленности.

Ретрансляторы в спутниковых системах связи обычно выполня­ются в виде отдельных частотных стволов. Каждый ствол содержит тракт преобразования частоты и усилитель с ограниченной пиковой мощностью. Упрощенная структурная схема одного ствола (луча) типового ретранслятора приведена на

рис. 1.9. В нем показаны са­мые важные, имеющие принципиальное значение, узлы.

Рис. 1.9. Упрощенная схема одноствольного ретранслятора:

1 - антенна; 2 - входное малошумящее устройство; 3 -усилитель; 4 - смеситель;

5 - гетеродин; 6 - .усилитель мощности; 7 - волноводный тракт; 8 - передающая антенна

В основном спутники ведут прием/передачу сигналов в диапазо­не частот 14/11 ГГц или в диапазоне 6/4 ГГц (в числителе указана средняя частота передачи сигнала с Земли на спутник, а в знаме­нателе - средняя частота передачи со спутника на Землю). Для спутникового телевизионного и радиовещания используются в ос­новном частоты 14/11 ГГц. Частоты приема и передачи, как видно, разносятся достаточно далеко друг от друга, чтобы предотвратить возможность возбуждения (паразитную генерацию) транспондера. Количество транспондеров (ретрансляторов) на борту спутника мо­жет быть от 6 до 12 и даже больше. Их количество зависит от элек­трической мощности, получаемой от солнечных батарей спутника, которая ограничена.

На рис. 1.10 показаны зоны покрытия четырьмя передающими ан­теннами (четыре ствола) спутника, который находится над Атланти­ческим океаном. Приемная антенна спутника с шириной основного луча 3,5° обеспечивает глобальную зону покрытия, и может прини­мать информацию с передающих станций, находящихся в любой точке "видимой" земной поверхности, а затем передающими антен­нами спутника направлять ее в любую из четырех локальных зон (А, В, С, D) по линии спутник-Земля, что и используется на практике.

Некоторые параметры типового спутника-ретранслятора

Некоторые параметры спутника-ретранслятора типа TDF приве­дены в качестве примера.

Тело спутника с основанием прямоугольной формы 2,4 х 1,64 м и высотой 2,32 м. С двух сторон его расположены прямоугольные панели с солнечными батареями, мощность которых в конце срока службы составляет 3215 Вт, что достаточно для обеспечения нормального функционирования спутника. Расстояние между крайними точками (размах) прямоугольных панелей с солнечными батареями —19 м.

Полная высота вместе с системой антенн составляет 6,35 м. Масса спутника без топлива 1025 кг, с топливом - 2077 кг.

Рис. 1.10. Зоны покрытия (А, В, С, D) поверхности Земли передающими антеннами спутника, находящегося над Атлантическим океаном. Спутник имеет четыре передающие антенны с узкой направленностью и одну при­емную глобально направленную антенну

Этого количества топлива достаточно для удержания спутника на геостационарной орбите на установленной позиции в течение 9 лет. После использования топлива на стабилизацию позиции и положения он становится неуправляемым. Система стабилизации спутника обеспечивает стабильность его положения около 0,2°; управление лучом антенны не хуже 0,05°. На спутнике имеются пять транспондеров (ретрансляторов), которые могут вести пере­дачи на пяти частотных каналах, но одновременно задействованы только четыре. Причем, три из них предназначены для передачи телевизионных программ, а четвертый - для передачи радиовеща­тельных 16-ти звуковых стереопрограмм. Оконечные каскады ретрансляторов собраны на лампах бегущей волны и имеют вы­ходную мощность 230...250 Вт каждый. Шесть оконечных каскадов служат для обеспечения высокой надежности. По расчетам после 7 лет работы три канала из имеющихся пяти могут работать с веро­ятностью 96,8 %, а четыре канала - с вероятностью 78,8 %.

Выводы

В главе рассматривается вывод спутников на геостационарную орбиту для ретрансляции телевизионных и радиовещательных про­грамм многочисленным абонентам - наземным приемным устрой­ствам. Спутник на геостационарной орбите устанавливается на плановой позиции в точке стояния и движется по орбите синхронно (без затрат энергии), с угловой скоростью равной угловой скорости вращения Земли, поэтому кажется неподвижно "висящим" над зем­ной поверхностью. Однако под воздействием внешних гравитаци­онных сил Солнца, Земли, Луны он постепенно смещается. Для удержания на установленной плановой позиции в точке стояния спутник автономно или по командам с Земли проводит корректировку своего положения собственными ракетными двигателями, используя для этого топливо, находящееся на борту. Количество топлива определяет (вместе с продолжительностью работы акку­муляторных батарей) продолжительность "жизни" спутника, которая составляет от 7 до 10 лет и более. При отсутствии топлива он без­возвратно смещается, прекращает свое существование и заменя­ется новым, устанавливаемым на той же позиции. Спутник на гео­стационарной орбите удерживается строго на своей плановой по­зиции в точке стояния, положение его жестко фиксировано по от­ношению к оси вращения Земли и стабилизировано, что дает воз­можность точно ориентировать антенны в нужном направлении и вести передачи на отведенную территорию. Стабилизация положе­ния спутника осуществляется или методом вращения (метод вра­щающегося "волчка"), что создает гироскопическую жесткость по отношению к своей оси вращения, которая выбирается параллель­но оси вращения Земли, или стабилизацией по трем осям коорди­нат, т.е. стабилизацией положения спутника относительно оси тан­гажа, оси рыскания и оси крена.

Энергоснабжение спутника на орбите обеспечивается исключи­тельно за счет электроэнергии получаемой от солнечных батарей, которые вырабатывают ее мощностью от 1,0 до 10 кВт и более. Она предназначена для работы бортовых приемопередающих сис­тем и систем обеспечения "живучести" спутника в целом, а также для зарядки аккумуляторных батарей, так как при нахождении спут­ника в тени Земли солнечные батареи энергию не вырабатывают и энергоснабжение всех его систем обеспечивается за счет энергии запасенной аккумуляторными батареями.

На борту спутника-ретранслятора устанавливаются антенны, ко­торые принимают со станции на Земле СВЧ сигналы, предназначен­ные для ретрансляции. Принятые СВЧ сигналы фильтруются, усили­ваются, изменяется их несущая частота. Затем они передаются с заданной конфигурацией излучения на отведенную территорию.

Для передач со спутников ретрансляторы выполняются в виде отдельных частотных стволов-транспондеров. Каждый транспондер содержит тракт преобразования частоты и усилитель с ограничен­ной пиковой мощностью. Антенна на спутнике принимает сигналы от многих земных станций. Для разделения сигналов и развязки между излучающими СВЧ сигналами большой мощности и слабыми приемными входными сигналами (в случае установки приемопере­дающей антенны) применяются полосовые высококачественные разделительные фильтры, роль которых здесь огромная.