Лекция № 19

Тема №9: СИСТЕМЫ АВИАЦИОННОЙ ВОЗДУШНОЙ, НАЗЕМНОЙ

И космической радиосвязи (продолжение)

Тема лекции: АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

РАДИОСВЯЗИ

Введение

Одним из важнейших практических применений искусственных спутников Земли (ИСЗ) является осуществление дальней радиосвязи, при которой спутники выполняют роль ретрансляционных станций. Спутниковые системы связи позволяют осуществить связь практически на любые земные расстояния и наряду с системами ДКМ связи играют важнейшую роль при организации дальней связи.

9.6.Авиационно-космические системы связи (АКСР)

9.6.1. Принципы построения АКСР

Принцип спутниковой связи отражен на рис.9.7. Он заключается в передаче сигналов с земных станций (ЗС) в сторону ИСЗ и ретрансляции их ЗС, находящимся в зоне видимости спутника. Это дает возможность обеспечения одним ретранслятором связь между несколькими пунктами в зоне видимости ИСЗ.

Рис. 9.7. Принцип спутниковой связи при высокой орбите ИСЗ

С увеличением высоты полета возрастает зона видимости ИСЗ и дальность связи может составить в пределе примерно 17 тыс. км.

В зависимости от способа ретрансляции передаваемого сигнала авиационно-космические системы радиосвязи (АКСР) подразделяются на:

1. системы с пассивной ретрансляцией, в которых ИСЗ используется как объект отражающий электромагнитные колебания без их усиления или преобразования;

2. системы с активной ретрансляцией, в которых на борту ИСЗ при помощи специальной аппаратуры производится прием, усиление и ретрансляция сигнала.

В свою очередь АКСР с активной ретрансляцией в зависимости от высоты орбиты и расстояния между корреспондентами могут быть выполнены как:

системы с немедленной ретрансляцией, которые работают в реальном масштабе времени (корреспонденты находятся в зоне видимости ИСЗ); системы сзадержанной ретрансляцией, которые предполагают накопление информации в специальном запоминающем устройстве на борту ИСЗ при пролете над одним из корреспондентов и спустя некоторое время ее ретрансляцию, при пролете над другим корреспондентом.

Задержанная ретрансляция позволяет осуществить дальнюю симплексную связь через ИСЗ. К ее достоинствам относится то, что: пункты приема и передачи могут не находиться одновременно в зоне видимости ИСЗ; возможность передачи информации отдельным корреспондентам при пролете ИСЗ на низких орбитах и, как следствие, скрытность передачи; меньшая энергетика системы в целом. Принцип спутниковой связи при активной ретрансляции с задержкой и ИСЗ на низкой орбите отражен на рис.9.8.

Рис. 9.8. Принцип спутниковой связи при активной

ретрансляцией с задержкой и ИСЗ на низкой орбите

Недостаток активной ретрансляции - это сложность аппаратуры на борту ИСЗ содержащей устройство памяти.

Таким образом при пассивной ретрансляции используются, как правило, высокие орбиты ИСЗ (рис. 9.7), а при активной могут использоваться ИСЗ на низких орбитах (рис. 9.8).

Орбиты спутников, играющие при создании АКСР первостепенное значение, отличаются следующими параметрами: а). Наклоном плоскости орбиты к плоскости экватора Земли (различают экваториальные орбиты с углом наклона равном нулю градусов, полярные орбиты с углом наклона в 90и наклонные орбиты при любом другом наклоне); б). формой орбиты (круговые или эллиптические орбиты); в). высотой орбиты над поверхностью Земли (высокие и низкие орбиты).

Движение спутников вокруг Земли объясняется законами Кеплера. Согласно первому закону, один из фокусов эллиптической орбиты спутника или центр круговой орбиты должен находиться в центре масс Земли. То есть ИСЗ не может летать по любой траектории над поверхностью Земли, а может двигаться лишь по орбите, плоскость которой обязательно проходит через центр масс Земли, в частности, спутник не может двигаться вдоль какой-либо параллели земного шара, за исключением экватора (экваториальная орбита).

При движении ИСЗ покруговой орбитерадиусаr(отсчитываемым от центра Земли) скорость его невозмущенного движенияV = 630r (км/с) определяется как первая космическая, а период обращения вокруг Земли равенT = 2 r/V (с). С увеличением радиусаr скоростьVуменьшается, а периодTувеличивается. Движение земной антенны следящей за ИСЗ в этом случае замедляется, что упрощает реализацию антенной системы ЗС. Однако при этом необходимо увеличивать мощность сигнала передаваемого на ИСЗ.

Необходимо выделить геостационарную орбиту, которая является круговой экваториальной орбитой с высотой около 36000км. Спутник на такой орбите вращается синхронно с Землей, т. е. для наблюдателя на Земле он кажется неподвижным. Три ИСЗ на геостационарных орбитах, выведенных в точки, отстоящие друг от друга на 120(рис. 9.9), в состоянии обеспечить связью почти всю территорию земного шара. Круговые орбиты высотой 10000 и 14000км интересны тем, что наблюдатель на Земле сможет увидеть спутник соответственно три и два раза в день в одно и тоже местное время.

Рис. 9.9. АКСР с геостационарными ИСЗ

В настоящее время на геостационарную орбиту запускается большая часть спутников связи. Недостатком этой орбиты является невозможность связи через ИСЗ с приполярными районами (расположенными выше 81северной широты или южной долготы).

При движении спутника по эллиптической орбите(рис. 9.10) он проходит две особые точки: апогей орбиты (наибольшее расстояние ИСЗ от поверхности Земли) и перигей орбиты (наименьшее расстояние ИСЗ от поверхности Земли).

Рис. 9.10. Эллиптическая орбита ИСЗ

Согласно второму закону Кеплера, радиус-вектор спутника в равные промежутки времени описывает одинаковые площади и скорость движения ИСЗ V_эпо эллиптической орбите определяется как

гдеV_а= 630/а- скорость движения спутника по круговой орбите с радиусом, равным большой полуоси эллиптической орбите;а = (l_А + l_П)/2;e = (l_А - l_П)/2а; - угол между направлением из центра Земли на перигей орбиты и в точку, где определяет скорость движения ИСЗ,l_А и l_П- расстояние от центра Земли до апогея и перигея орбиты. Учитывая, что для точки апогеяcos = -1, а для точки перигеяcos = 1, спутник на эллиптической орбите имеет наименьшую скорость в апогее орбиты и наибольшую в перигее. Если такой ИСЗ применяется в качестве ретранслятора, то целесообразно использовать участок орбиты вблизи апогея. При этом движение земной антенны, следящей за ИСЗ, будет наименьшим.

Примером эллиптической орбиты является орбита ИСЗ МОЛНИЯ с параметрами: перигей около 500км, апогеем 39000км и углом наклона орбиты к плоскости экватора 63. Апогей орбиты находится над северным полушарием, а перигей - над южным. Период обращения ИСЗ примерно 12 часов. Ежесуточно спутник совершает точно два оборота вокруг Земли (первый виток - над территорией России, а второй - над территорией Северной Америки). При пролете над территорией России в зоне видимости ИСЗ в течении 9 часов находится Москва и Владивосток. Три таких ИСЗ, сменяющие друг друга в апогее примерно через 8 часов, обеспечивают круглосуточную связь на всей территории России.

В сравнении с круговыми орбитами эллиптические удобнее с точки зрения запуска ИСЗ. При одинаковой мощности ракеты-носителя на эллиптическую орбиту можно вывести больший груз, чем на круговую высотой, равной апогею эллиптической орбиты. Время видимости спутника на эллиптической орбите значительно больше, чем на круговой с радиусом, равным апогею. Как следствие, длительность сеанса связи больше при использовании эллиптической орбиты. Недостатком такой орбиты является резкое изменение уровня сигнала в течении одного оборота спутника, что требует усложнения аппаратуры на борту ИСЗ.