Пристрої регулювання і розподілу в системі енергопостачання
Ці пристрої забезпечують роботу електронних блоків супутника стабілізованою напругою, зарядку акумуляторних батарей, а також захист всієї системи енергопостачання від перевантажень. Необхідність стабілізації напруги викликана тим, що робоча напруга сонячних батарей залежить від таких умов як освітленість, від температури навколишнього середовища і тому подібне Наприклад, коли температура сонячних батарей буквально в перебігу декількох хвилин відразу після виходу супутника з тіні підвищується з мінуса 180°С до +60°С, напруга, що виробляється сонячними батареями, може перевищити встановлене номінальне в 2,5 разу, тому приймаються необхідні заходи по його стабілізації.
Слід зазначити, що на поверхні супутника може накопичуватися статичний електричний заряд, що створює різницю потенціалів між окремими вузлами супутника до 20 кВ, і що вельми небезпечно для функціонування електронних вузлів і блоків. Для усунення електризації всі корпуси вузлів, металеві обплетення кабелів сполучають з корпусом основної платформи і екранують напівпровідникові пристрої від дії електромагнітних наведень.
Система підтримки температурного режиму апаратури супутника
На орбіті супутник схильний до дії випромінювань з космосу - електронів, протонів. Окрім цього, істотний вплив робить температура, оскільки одного його сторону нагрівають сонячні промені до +60°С, а інша сторона охолоджується космічним простором до мінуса 180°С. Завдання системи регулювання температури полягає в тому, щоб підтримувати температуру функціональних вузлів супутника в допустимих межах і забезпечити космічним простором відбувається в основному через випромінювання енергії у вакуумі. Джерелами теплової променистої енергії, що отримується супутником ззовні, є Сонце і Земля. Кількість енергії, що поглинається ним, залежить від його геометричного положення по відношенню до Сонця, від якості обробки його (супутника) поверхні, спектру сонячного випромінювання. Температуру супутника можна розрахувати виходячи з щільності енергії сонячного випромінювання, падаючої на його поверхню, яка близька до щільності енергії, падаючої на земну поверхню, і її значення приблизно рівне 1,39 кВт/м2. Кількістю тепла, що отримується супутником від Землі, можна нехтувати. Окрім цього, враховується, що:
максимальний час знаходження супутника в тіні Землі складає 70 мін;
"північна" і "південна" сторони супутника поперемінно, по шість місяців, знаходяться то в тіні Землі, то під променями яскравого Сонця, кут падіння яких складає 23°;
П тепловиділення усередині супутника при роботі його електронних пристроїв досить великі, - від ламп хвилі, що біжить, на яких зібрані вихідні каскади передавачів і особливо від нагріву хвилеводів при розповсюдженні в них електромагнітних хвиль частот 12 ГГц і вище, оскільки перетин хвилеводів малий, а потужність, передавань по ним, значна. Для відведення надмірного тепла використовуються газорідинні теплоносії, які прокачуються по трубах і подаються до охолоджених ділянок для обогрева.3
Структура супутників-ретрансляторів телевізійного
віщання
Основні функції. Супутники на гіостаціонарній орбіті забезпечують прийом інформації із станцій, що знаходяться на Землі і передачу її численним наземним абонентам, - приймальним пристроям. У цій системі вони виконують роль станції повторення - ретранслятора. Такі супутники виконують наступні основні функції:
приймають сигнали (виділеному діапазоні частот), передаванні із станції на Землі у напрямі супутника;
підсилюють прийняті сигнали;
перетворюють частоту прийнятих сигналів в частоту сигналів, призначених для передачі у напрямі супутник - Земля;
ретранслюють (передають) перетворені і посилені сигнали численним наземним приймальним пристроям тільки на відведену територію.
Структурна схема супутника-ретранслятора, стабілізованого по трьом осям, показана на мал. 1.7. Функціонально супутник складається з п'яти основних частин і включає: модуль антен, приймально-підсилювальний і передавальний блоки (вони з'єднуються з модулем антен хвилеводним трактом), модуль стабілізації і корекції положення супутника на орбіті, включаючи двигуни, систему забезпечення електроенергією з сонячними батареями.
Антени супутника-ретранслятора
Антени, розташовані на супутнику-ретрансляторі, займають особливе місце в його конструкції. На відміну від наземних станцій, що мають в своєму складі одну, на борту сучасних супутників встановлюють декілька приймальних і передавальних антен або приймальнопередавльних . Антени супутника-ретранслятора:
мають високий коефіцієнт посилення, що дозволяє створювати на обслуговуваній земній території необхідну для якісного прийому щільність потоку потужності (ППМ). Це дає можливість використовувати ПРД із зниженою вихідною потужністю, споживаною від систем енергопостачання супутника, що збільшує термін його служби;
мають гостру діаграму спрямованості і низький рівень бічних пелюсток, в результаті це приводить до зменшення взаємних перешкод між сусідніми супутниками і іншими системами зв'язку.
повинні концентрувати випромінювані електромагнітні хвилі, що несуть інформацію, тільки на відведену територію, що б не створювати перешкод іншим приймальним пристроям.
Для реалізації приведених властивостей на супутнику встановлюється декілька антен великих розмірів з параболоїдною поверхнею. Дані дистанційних вимірювань, а також дані контролю і управління передаються або через рупорні, або через великі параболічні антени (позиція 1а). Якщо передача ведеться на частотах зв'язку, то застосовуються рупорні антени (позиція 1Б).
Під час запуску і виведення супутника на орбіту для передачі команд управління і контролю застосовується штирьова всенаправлена антена (позиція 1в), так інші антени у цей момент знаходяться в нерозкритому стані
Мал. 1.7. Структурна схема супутника-ретранслятора, стабілізованого
по трьом осям
Антени в сучасних супутниках (мал. 1.8) встановлюються на індивідуальні поворотні пристрої, що дає можливість по команді із Землі повертати кожну антену незалежно один від одного на деякий кут. Так в російському супутнику ГАЛС 16Р кожна з трьох антен може індивідуально повертатися на кут в межах ± 8° і, окрім цього, є дві антени, встановлені на загальну платформу, які разом можна повернути на такий же кут. Це практично, оскільки подібна конструкція дозволяє обслуговувати по черзі великі території, розташовані в різних тимчасових поясах, що для Росії дуже важливе.
Мал. 1. 8. Розташування антен на супутниках, що раніше запускаються (радянських)
Приймально-передавальний блок супутника-ретранслятора
Пріємопередавальний блок супутника разом з антенами є супутниковим ретранслятором (транспондер). Це головна частина передавальної системи. Для того, щоб створити зону покриття (випромінювання), яка найкращим чином відповідала б конфігурації обслуговуваної території, більшість супутників мають декілька ретрансляторів і антен з вузькими діаграмами спрямованості.
Ретранслятори в супутникових системах зв'язку зазвичай виконуються у вигляді окремих частотних стовбурів. Кожен стовбур містить тракт перетворення частоти і підсилювач з обмеженою піковою потужністю. Спрощена структурна схема одного стовбура (світивши) типового ретранслятора приведена на мал. 1.9. У нім показані найважливіші, такі, що мають принципове значення, вузли.
1 - антена; 2 - вхідний малошумний пристрій; 3 -підсилювач; 4 - змішувач;
5 - гетеродин; 6 - . підсилювач потужності; 7 - хвилеводний тракт; 8 - передавальна антена
В основному супутники ведуть прийом/передачу сигналів в діапазоні частот 14/11 ГГц або в діапазоні 6/4 ГГц (у чисельнику вказана середня частота передачі сигналу із Землі на супутник, а в знаменнику - середня частота передачі з супутника на Землю). Для супутникового телевізійного і радіомовлення використовуються в основному частоти 14/11 ГГц. Частоти прийому і передачі, як видно, розносяться достатньо далеко один від одного, щоб запобігти можливості збудження (паразитну генерацію) транспондера. Кількість транспондерів (ретрансляторів) на борту супутника може бути від 6 до 12 і навіть більше. Їх кількість залежить від електричної потужності, що отримується від сонячних батарей супутника, яка обмежена.
На мал. 1.10 показані зони покриття чотирма передавальними антенами (чотири стовбури) супутника, який знаходиться над Атлантичним океаном. Приймальна антена супутника з шириною основного променя 3,5° забезпечує глобальну зону покриття, і може приймати інформацію з передавальних станцій, що знаходяться в будь-якій точці "видимої" земної поверхні, а потім передавальними антенами супутника направляти її в будь-яку з чотирьох локальних зон (А, В, З, D) по лінії Супутник-Земля, що і використовується на практиці.
Деякі параметри типового супутника-ретранслятора
Деякі параметри супутника-ретранслятора типу TDF приведені як приклад.
Тіло супутника з підставою прямокутної форми 2,4 х 1,64 м і заввишки 2,32 м. З двох сторін його розташовані прямокутні панелі з сонячними батареями, потужність яких в кінці терміну служби складає 3215 Вт, що достатньо для забезпечення нормального функціонування супутника. Відстань між крайніми крапками (розмах) прямокутних панелей з сонячними батареями —19 м.
Повна висота разом з системою антен складає 6,35 м. Маса супутника без палива 1025 кг, з паливом - 2077 кг
Мал. 1.10. Зони покриття (А, В, З, D) поверхні Землі передавальними антенами супутника, що знаходиться над Атлантичним океаном. Супутник має чотири передавальні антени з вузькою спрямованістю і одна приймальня глобально направлену антену
Цю кількість палива досить для утримання супутника на гіостаціонарній орбіті на встановленій позиції протягом 9 років. Після використання палива на стабілізацію позиції і положення він стає некерованим. Система стабілізації супутника забезпечує стабільність його положення біля 0,2°; управління променем антени не гірше 0,05°. На супутнику є п'ять транспондерів (ретрансляторів), які можуть вести передачі на п'яти частотних каналах, але одночасно задіяні тільки чотири. Причому, три з них призначені для передачі телепередач, а четвертий - для передачі радіомовних 16-ти звукових стереопрограм . Крайові каскади ретрансляторів зібрані на лампах хвилі, що біжить, і мають вихідну потужність 230...250 Вт кожен. Шість крайових каскадів служать для забезпечення високої надійності. По розрахунках після 7 років роботи три канали з тих, що є п'яти можуть працювати з вірогідністю 96,8 %, а чотири канали - з вірогідністю 78,8 %.
Виводи
В розділі розглядається виведення супутників на гіостаціонарну орбіту для ретрансляції телевізійних і радіомовних програм численним абонентам - наземним приймальним пристроям. Супутник на гіостаціонарній орбіті встановлюється на плановій позиції в точці стояння і рухається по орбіті синхронно (без витрат енергії), з кутовою швидкістю рівної кутової швидкості обертання Землі, тому здається таким, що нерухомо "висить" над земною поверхнею. Проте під впливом зовнішніх гравітаційних сил Сонця, Землі, Місяці він поступово зміщується. Для утримання на встановленій плановій позиції в точці стояння супутник автономно або по командах із Землі проводить коректування свого положення власними ракетними двигунами, використовуючи для цього паливо, що знаходиться на борту. Кількість палива визначає (разом з тривалістю роботи акумуляторних батарей) тривалість "життя" супутника, яке складає від 7 до 10 років і більш. За відсутності палива він безповоротно зміщується, припиняє своє існування і замінюється новим, встановлюваним на тій же позиції. Супутник на гіостаціонарній орбіті утримується строго на своїй плановій позиції в точці стояння, положення його жорстко фіксоване по відношенню до осі обертання Землі і стабілізоване, що дає можливість точно орієнтувати антени в потрібному напрямі і вести передачі на відведену територію. Стабілізація положення супутника здійснюється або методом обертання (метод "дзиги", що обертається), що створює гіроскопічну жорсткість по відношенню до своєї осі обертання, яка вибирається паралельно осі обертання Землі, або стабілізацією по трьом осям координат, тобто стабілізацією положення супутника щодо осі тангажа, осі рискання і осі крену.
Енергопостачання супутника на орбіті забезпечується виключно за рахунок електроенергії отримуваною від сонячних батарей, які виробляють її потужністю від 1,0 до 10 кВт і більш. Вона призначена для роботи бортових приймально-передавальних систем і систем забезпечення "живучості" супутника в цілому, а також для зарядки акумуляторних батарей, оскільки при знаходженні супутника в тіні Землі сонячні батареї енергію не виробляють і енергопостачання всіх його систем забезпечується за рахунок енергії запасеної акумуляторними батареями.
На борту супутника-ретранслятора встановлюються антени, які приймають із станції на Земле СВЧ сигнали, призначені для ретрансляції. Прийняті сигнали СВЧ фільтруються, посилюються, змінюється їх частота, що несе. Потім вони передаються із заданою конфігурацією випромінювання на відведену територію.
Для передач з супутників ретранслятори виконуються у вигляді окремих частотних стовбурів - транспондерів. Кожен транспондер містить тракт перетворення частоти і підсилювач з обмеженою піковою потужністю. Антена на супутнику приймає сигнали від багатьох земних станцій. Для розділення сигналів і розв'язки між випромінюючими сигналами СВЧ великої потужності і слабкими приймальнями вхідними сигналами (у разі установки приймально-передавальних антени) застосовуються смугові високоякісні розділові фільтри, роль яких тут величезна.