13.1.Принципы построения спутниковых систем связи

Спутники связи обращаются вокруг Земли по орбитам, плоскости которых проходят через центр земного шара. В зависимости от угла между плоскостями орбиты и земного экватора, называемого наклонением i, различают полярные (i = 90°), экваториальные (i=0) и наклонные (0<i<90°) орбиты спутников (рис. 13.3).

В системах космической связи широко используются высокие эллиптические орбиты со следующими параметрами: высота апогея = 40 000 км, перигея — = 500 км, наклонение . Такая орбита характеризуется периодом обращения спутника вокруг Земли, равным 12 ч, поэтому ее апогей всегда находится над одним и тем же меридианом. Это облегчает сопровождение спутника и позволяет на каждом втором его витке организовывать сеансы связи в одно и то же местное время. Большая высота апогея обеспечивает длительное время полета над находящейся под ним территорией и, следовательно, большую продолжительность сеанса связи.

Преимуществами систем связи, в которых используются эллиптические орбиты, являются простота и незначительные энергетические затраты на запуск спутника, поэтому он может производиться небольшой ракетой-носителем. Кроме того, эти системы связи могут обслуживать приполярные районы.

Однако, во-первых, для обеспечения круглосуточной связи такая система требует использования нескольких спутников — как минимум трех, — что значительно усложняет управление ею. Во-вторых, для обеспечения непрерыв­ной связи передающие и приемные антенны наземных станций должны быть все время направлены на КА. Для этого используются специальные устрой­ства наведения и сопровождения, обеспечивающие поворот антенны одно­временно с перемещением спутника. Наличие таких устройств увеличивает сто­имость антенных систем и снижает надежность работы.

Значительные преимущества предоставляет использование КА, расположенного на так называемой геостационарной орбите, находящейся в плоскости экватора и имеющей нулевое наклонение круговой орбиты (рис. 13.3) с ра­диусом 35 785 км. Такой спутник совершает один оборот вокруг Земли точно за одни земные сутки. Если направление его движения совпадает с направле­нием вращения Земли, то с поверхности Земли он кажется неподвижным.

Рис. 13.3. Типы орбит КА

Ни при каком другом сочетании указанных параметров орбиты нельзя добиться неподвижности КА относительно наземного наблюдателя. Антенны станций, работающих с геостационарным спутником, не требуют сложных систем наведения и сопровождения, а в случае необходимости могут быть установлены устройства для компенсации небольших возмущений орбиты.

Благодаря этому обстоятельству в настоящее время почти все спутники связи, предназначенные для коммерческого использования, находятся на геостационарной орбите. Примерно в одной позиции на одной географической долготе могут находиться несколько КА, расположенных на расстоянии около 100 км друг от друга. Например, семь спутников серии Astra размещены в позиции 19° в. д. Отметим, что в ближайшее время их число будет увеличено до восьми.

Спутниковая линия связи с ретранслятором на геостационарной орбите имеет ряд серьезных преимуществ, как-то:

> Осуществление непрерывной круглосуточной связи.

> Отсутствие устройства сопровождения КА в антенной системе назем­ного комплекса.

> Высокая стабильность уровня сигнала в радиоканале.

> Отсутствие эффекта Доплера.

> Простота организации связи в глобальном масштабе.

Недостатками такой линии связи являются перенасыщенность геостационарной орбиты на многих участках, а также невозможность обслуживания приполярных областей.

Вблизи полюсов геостационарный КА виден под малым углом места, а у самых полюсов не виден вообще. Ввиду малости угла места происходит затенение спутника местными предметами, увеличение шумовой температуры антенны за счет тепловых шумов Земли, повышение уровня помех от наземных радиотехнических средств. Уже на широте 75° прием затруднителен, а выше 80° — почти невозможен. Однако в широтном поясе от 80° ю. ш. до 80° с. ш. проживает практически все население Земли. Поэтому использование ретранслятора, находящегося на геостационарной орбите, целесообразно, например, для передачи телевизионного изображения.