Розділ 1
Запуск супутників. Супутники ретранслятори на орбіті геостационарной
Виведення супутників на гіостаціонарну орбіту
У жовтні 1945 року англійський письменник - фантаст Артур Кларк, автор творів "2001 рік: "Космічна Одіссея", "Кінець дитинства", "Побачення з рамою" і ін. в журналі "Wireless World" висловив ідею, що штучні супутники Землі, знаходячись над Екватором на висоті зразкового 35786 км., можуть бути використані для ретрансляції радіосигналів. Згідно його ідеї антена, направлена із Землі на супутник, випромінює радіосигнали, що містять інформацію. Вони приймаються ретрансляційною станцією, розташованою на супутнику і після електронної обробки передаються на наземні приймальні станції. Ці станції можуть знаходитися в будь-якому місці, що потрапляє в зону випромінювання антен супутника.
За уявленням Артура Кларка, за допомогою трьох, супутників, що знаходяться на геостационарной орбіті, розташованих на рівних відстанях один від одного, можна створити канал зв'язку між будь-якими двома точками Землі (за винятком навколополюсних районів) в тому випадку, якщо зв'язок існує і між супутниками.
Більшість супутників-ретрансляторів рухаються по так званій геостационарной орбіті (мал. 1.1). Ця орбіта круг і характеризується тим, що якщо супутники, що знаходяться на ній, рухаються з кутовими швидкостями, рівними кутовій швидкості обертання Землі навколо своєї осі, то з поверхні Землі вони здаються нерухомими, такими, що "висять" на одному місці, в одній крапці. Оскільки відстань від рухомого по гіостаціонарній орбіті супутника до Землі в три рази більше діаметру Землі, то супутник "бачить" відразу близько 40% земної поверхні.
Виведення штучних супутників на гіостаціонарну орбіту - задача непроста. Раніше для запуску на неї не були достатньо могутніх ракетоносіїв, тому перші супутники зв'язку знаходилися на еліптичній, низькій навколоземній орбіті (наприклад, перший американський супутник-ретранслятор Telstar).
Західна довгота (W) / IS Східна довгота (Е) Нульовий меридіан
Мал.1.1.Гіостаціонарна орбіта знаходиться на 5786км. від поверхні Землі і розташована в площині Екватора
Підтримка зв'язку з супутниками на еліптичній орбіті дуже складна і дорога справа як в частині передачі, так і прийому.
Із-за швидкої зміни місцеположення супутників необхідно мати рухому систему слідкуючих антен. Супутники на таких орбітах можна використовувати для створення постійного зв'язку тільки тоді, коли вони по відношенню як передавального, такого передавального, пристрої знаходяться над рівнем горизонту, тобто для них повинні бути видний як "схід" одного супутника, так і "захід" іншого.
Розвиток ракетної техніки і створення могутніх ракетних носіїв дали можливість широко використовувати геостаціонарну орбіту для"установки" на ній супутників-ретрансляторів телепередач. На мал. 1.2 показаний часто вживаний спосіб виведення супутників на гіостаціонарну орбіту. Штучний супутник виводять спочатку на кругову орбіту, близьку до поверхні Землі (250...300 км. від поверхні), потім, підвищуючи його швидкість, перекладають на еліптичну проміжну орбіту, найближча точка якої - перигей знаходиться приблизно на відстані 270 км. від Землі, а видалена крапка - апогей на відстані
Рис 1.2. Послідовність виведення супутника на геостационарную орбіту: 1 - скидання обтічника; 2 - завершення початкового польоту; 3 - повне відділення останнього ступеня; 4 - визначення положення для першого включення власного (апогею) двигуна; 5 - перше включення власного двигуна для виходу на проміжну (перехідну) орбіту; 6 - визначення положення на проміжній орбіті; 7 - друге включення власного двигуна для виходу на гіостаціонарну орбіту; 8 - переорієнтація площини орбіти супутника і корекція помилок; 9 - орієнтація супутника перпендикулярно до площини орбіти і корекція помилок; 10 - зупинка, розкриття панелей сонячних батарей, повна розстиковує; 11 - розкриття антен, включення стабілізаторів; 12 - стабілізація положення і початок роботи близько 36000 км., яка вже відповідає висоті гіостаціонарній орбиті.2
Коли штучний супутник "стане" на еліптичну проміжну (перехідну) орбіту, і, якщо у нього все функціонує бездоганно, то в точці апогею включаються його власні реактивні, так звані, апогеї двигуни, які швидко збільшують лінійну швидкість супутника до 3,074 км. /с. Така швидкість необхідна для переходу на гіостаціонарну орбіту і "зупинки" (точніше для руху по ній), після чого супутник по командах із Землі переміщають по гіостаціонарній орбіті на планову позицію в точку стояння. Потім здійснюють розкриття панелей сонячних батарей, розгортання антен, їх орієнтацію на задану територію Землі, орієнтацію сонячних батарей на Сонце і включення бортового передавача-ретранслятора. Точна установка супутника на гіостаціонарній орбіті проводиться його власними реактивними двигунами, що працюють на твердому або рідкому паливі. Після того, як супутник виведений в точку стояння на орбіті, двигуни відключаються і він рухається по гіостаціонарній орбіті як небесне тіло під впливом інерції із швидкістю 3,074 км/с і сил тяжіння Землі. Для супутника-ретранслятора дуже, важливо, щоб його власна орбіта відповідала б ідеально гіостаціонарній. Так, якщо супутник рухається по орбіті, яка декілька менше гіостаціонарної, то він поступово зміщується зі своєї позиції в західному напрямі, а якщо його орбіта перевищує гіостаціонарну, то зсув відбувається в східному напрямі, тобто по напряму руху Землі. Зрушення на 1° на гіостаціонарній орбіті відповідає відстані на ній приблизно в 750 км. За наявності в наземному приймальному пристрої поворотної слідкуючої антени її нескладно знову точно направити на супутник. Проте більшість індивідуальних наземних пристроїв для прийому з супутників мають нерухомі антени з дуже вузькими, "голчатими" діаграмами спрямованості, і постійно коректувати напрям антени на супутник ручним способом досить обтяжливо, а із-за неточності її наведення телевізійне зображення, що приймається, помітно погіршується або зовсім зникає. У зв'язку з цим в цілях надійного і упевненого прийому необхідно забезпечити постійний в часі "слід" супутника, стабільність випромінювання його бортових антен тільки на відведену територію. Тому супутнику потрібно часто проводити корекцію свого положення і орбіти, що здійснюється ним за допомогою власних двигунів і приводить до витрати палива. Це впливає на його термін служби. За відсутності палива для двигунів супутник починає зміщуватися зі своєї позиції, що приводить до періодичного зближення сусідніх супутників і, відповідно, до збільшення взаємних перешкод, і до збільшення перешкод приймальним пристроям на Землі. Із-за обмеженої здатності витримувати задане положення перші гіостаціонарні супутники розгойдувалися, тому в наземних приймальнях і передавальних пристроях неможливо було відмовитися від системи поворотних, слідкуючих антен. В даний час допустима нестабільність положення супутника ("слід"), що представляє одну з найважливіших його характеристик, встановлена на основі міжнародних рекомендацій.
З погляду терміну функціонування супутника украй важливою є кількість палива, споживаного його власними реактивними (апогеями) двигунами. І, очевидно, чим більше залишиться палива після первинної установки супутника на орбіті, тим більше коректувань положення можна зробити і, отже, тим довше функціонуватиме супутник. Тривалість "життя" супутника на орбіті зазвичай складає 5...7 років, а деяких - 10 років і більш, після чого він замінюється новим, резервним, встановлюваним на тій же позиції.
Переваги гіостаціонарної орбіти
Гіостаціонарна орбіта ( у Англії і в деяких країнах Європи її називають поясом Кларка ) є унікальною і представляє значну експлуатаційну цінність. Ряд екваторіальних держав раніше хотіли, щоб ділянка орбіти, що знаходиться над їх територією, використовувалася б тільки за домовленістю з ними. Не екваторіальні країни, природно, з цим погодитися не могли, розглядаючи гіостаціонарну орбіту як загальне надбання людства. Лише у 1988 р. вдалося погоджувати план розподілу позицій супутників для віщання в діапазонах частот 6/4 ГГц і 14/11 ГГц.
Переваги гіостаціонарної орбіти стимулюють всю більшу кількість користувачів розміщувати на ній супутники різного призначення. З європейського континенту можна "спостерігати" декілька десятків штучних супутників, рухомих на гіостационарній орбіті. Через них здійснюється насамперед телефонний зв'язок з країнами американського континенту і країнами Близького Сходу. Крім того, багато супутників задіяні для ретрансляції телевізійного і радіомовлення. Використання гіостаціонарної орбіти для цих цілей дає наступні переваги:
супутник рухається по гіостаціонарній орбіті із заходу на схід тривалий час без витрат енергії на цей рух (як небесне тіло) завдяки гравітаційному тяжінню Землі і власної інерції, з лінійною швидкістю 3,074 км/с;
рухомий по гіостаціонарній орбіті з кутовою швидкістю, рівній кутовій швидкості обертання Землі, супутник здійснює оборот точно за одну добу, унаслідок чого він виявляється таким, що нерухомо "висить" над земною поверхнею;
енергопостачання його систем здійснюється від сонячних батарей, що освітлюються Сонцем;
оскільки супутник не перетинає радіаційний пояс Землі, а знаходиться вищим за нього, то збільшується надійність і ресурс роботи його електронних пристроїв і джерел живлення - сонячних батарей;
зв'язок з передавальною станцією здійснюється безперервно, без перемикання з одного супутника, що "заходить", на іншій -"восходящий", тобто для забезпечення безперервного постійного зв'язку необхідний тільки один супутник;
у передавальних антенах в системі Земля-супутник пристрою автоматичного стеження за супутником можуть бути спрощені або виключені зовсім, а в наземних приймальних антенах в них фактично немає необхідності, що забезпечує простоту приймальних пристроїв, їх дешевизну, доступність і масовість розповсюдження;
оскільки відстань до супутника на гіостаціонарній орбіті завжди постійно (гіостаціонарна орбіта круг), те ослаблення сигналу при проходженні по трасі Земля —> супутник —> Земля завжди визначене, таке, що не змінюється при русі супутника по орбіті, що дозволяє точно розрахувати потужність його бортового передавача;
гіостаціонарна орбіта унікальна - супутники, розташовані на орбітах вище за неї, "йдуть" в космічний простір, а, розташовані на орбітах нижче, - поступово наближаються до Землі. І лише супутники, що знаходяться на гіостаціонарній орбіті, синхронно обертаються на постійній відстані від Землі і нерухомі відносно її;
після закінчення терміну функціонування супутник перекладається на так звану "кладовищенську" орбіту, яка знаходиться на 200 км. вище гіостаціонарної, і він поступово віддаляється від Землі в космічний простір.
Якщо супутник знаходиться нижчим за гіостаціонарну орбіту, то він поволі наближається до Землі і згорає (можливо не повністю) в щільних шарах атмосфери.
Завдяки своїм унікальним властивостям і перевагам гіостаціонарна орбіта на найбільш зручних ділянках (особливо над Тихим і Індійським океанами, а так само над Африканським континентом) "заселена" супутниками до межі. На гіостаціонарній орбіті визначено 425 точок "стояння" - позицій супутників. Слово "позиція" однозначно визначає положення супутника на гіостаціонарній орбіті - його довготу.
Мал. 1.3 Видимість з нульової довготи і з середніх широт деяких супутників-ретрансляторів, що знаходяться на гіостаціонарній орбіті в 1999-2000 гг
Наприклад, на позиції 19,2° е. д. знаходиться шість супутників ASTRA 1A-ASTRA G, на позиції 13° ст. д. - п'ять супутників сімейства Hot Bird і так далі На кожній позиції може знаходитися до десяти супутників. Функціонуючих супутників на гіостаціонарній орбіті множина і кількість їх щорічно збільшується. Вони "встановлюються" на орбіті згідно планам ВАКР 1977 і 1988 рр. Серед них є супутники, що ретранслюють радио- і телепередачі, а також супутники, призначені для забезпечення телефонного зв'язку між країнами і континентами. Деякі з них "завершують" свою роботу, перестають існувати і замінюються новими, встановлюваними на тій же позиції. Тому положення на гіостаціонарній орбіті загалом мало змінюється і, якщо дивитися з північної півкулі на південь, гіостаціонарна орбіта виглядає на південній стороні небозводу у вигляді дуги, на якій розташовані супутники-ретранслятори різного призначення (мал. 1.3). Чим північніше широта спостереження, тим менше дуга, тим менше супутників видно на ній. Відстань від супутника, що знаходиться на гіостаціонарній орбіті, до географічної точки прийому залежить від місця її розташування на поверхні Землі. Так, якщо точка прийому знаходиться на екваторі, то відстань до супутника складає 35786 км.; якщо вона знаходиться в середніх широтах, то відстань - близько 37400 км. і, якщо розташована в полярних широтах, відстань до супутника збільшується до 41600 км. Це за умови, що точка прийому знаходиться на одній і тій же довготі, що і супутник. Якщо довгота точки прийому і довгота точки стояння супутника не співпадають, що характерний для більшості випадків, то відстань збільшується за рахунок збільшення похилої дальності і може бути визначене по формулі (2.3).
Інші орбіти
Еліптичні орбіти. Прийом телевізійного супутникового віщання з гіостаціонарної орбіти в крапках, розташованих вище 81,3° північної і південної широт, вельми складний при прийманні та передачі аналоговим способом, оскільки малий кут місця приймальної антени приводить до її практично повного затінювання рельєфом місцевості. Тому для обслуговування наземних територій, розташованих вище 81,3о північної і південної широт, використовуються супутники, що знаходяться на еліптичній орбіті, яка має кут нахилу до площини Екватора 63,5° (мал. 1.4). Висота її апогею в північній півкулі складає близько 40550 км., висота перигея в південній півкулі - 500 км. Рух супутника щодо Землі в області апогею сповільнюється, а область перигея, розташовану над південною півкулею Землі, супутник проходить дуже швидко. Обслуговування північних територій одним супутником можливо в течію не менше 8 ч, тому трьох супутників, що змінюють один одного з рівними різними фазами, достатньо для ведення цілодобового прийому. Очевидно, що антена земної станції при передачі на супутник, а також антени приймальних станцій на Землі повинні відстежувати супутник на високій ділянці еліптичної орбіти. Для цього потрібна складна і дорога система автосупроводу і система перемикання з одного супутника, що "заходить", на інший "висхідний". Якщо врахувати високу вартість виготовлення трьох супутників, вартість їх запуску і експлуатації, вартість автосупроводу земних приймальних пристроїв, то всі разом узяте робить економічно не вигідним використання супутників на еліптичній орбіті для ретрансляції телепередач.
Низко висотні і середньовисотні кругові орбіти.
Особливий інтерес представляє використання супутників на невисоких навколоземних орбітах. Залежно від висоти орбіти розрізняють кругові орбіти:
гіостаціонарну ( GEO );
низко висотну, Low Earth Orbit (LEO);
середньовисотну, Medium Earth Orbit (MEO).
Невеликі відстані від Землі до супутників, що знаходяться на невисоких орбітах, приводять до менших втрат сигналу і меншого часу його запізнювання. Крім того, супутники на таких орбітах дозволяють охопити і приполярні райони. Проте тут недостатньо мати один супутник, а необхідно їх близько десятка і більше, і встановлюватися вони винні на різних орбітах.
Низковисотна орбіти (LEO) використовуються системою IRIDIUM, що є супутниковою мережею персонального зв'язку, призначеною для забезпечення всього комплексу телефонних послуг: передачі мові, даних і так далі в будь-яку точку Землі і у будь-який час. У системі IRIDIUM мережа з 66 супутників на 6-ти орбітах в різних площинах розташовується на висоті приблизного 780 км. над поверхнею Землі. На кожній з шести орбіт рухається 11 робочих супутників і один запасний. В порівнянні з супутниками на гіостаціонарній орбіті низькоорбітальні супутники дозволяють здійснювати зв'язок за допомогою малопотужної портативної наземної апаратури. Це реалізується завдяки їх низьким орбітам, невеликій відстані і можливості створити велику щільність потоку потужності у поверхні Землі (у щодо вузькій смузі частот - до 4 кГц). Тому прийманні та передавальні пристрої - абонентський телефон - стає також таким малим, що поміщається на долоні. Термін життя супутника на низьких орбітах невеликий (всього 6...8 років) через те, що супутник перетинає радіаційний пояс Землі і апаратура під впливом радіації (накопиченої дози) виходить з ладу
Апогей
Перигей Мал. 1.4 Еліптична (1) і гіостаціонарна
(2) орбіти