3.5.3. Орбиты спутников связи, способы вывода спутников на орбиту

Выбор формы орбиты (круговая, эллиптическая, высо­коэллиптическая), наклонения (полярная, наклонная с заданным углом наклона, экваториальная), величины пе­риода и характера обращения орбиты вокруг Земли (син­хронная, геостационарная) является определяющим при проектировании той или иной системы спутниковой свя­зи и в свою очередь обусловливается задачами проектируемой системы.

Начиная с первых запусков спутники связи почти всегда образуют систему. Одиночные ИСЗ связи широко­го использования применяются редко.

В спутниковых системах связи используются низкоорбитальные аппараты, высокоэллиптические ИСЗ и геостационары.

На пороге XXI века коммерческая спутниковая связь достигла достаточно высокого уровня развития. Почти все ныне действующие системы подвижной связи основаны на применении спутников, вращающихся на геостационарных и высокоэллиптических орбитах; однако аналитики ожидают, что в ближайшее время ситуация коренным образом изменится. По их прогнозам, даже в странах с развитой инфраструктурой около 35% потребностей в услугах будут обеспечивать глобальные системы персональной связи.

Концепцию персональной спутниковой связи можно реализовать в системах, использующих спутники на геостационарных, средневысотных и низких орбитах.

Основные типы орбит: GSO — геостационарная (до 36 000 км), МЕО — средневысотная (до 15 000 км), LEO — низкая (до 1500км)

По углу наклона (угол между плоскостью орбиты и плоскостью экватора )орбиты делят на следующие типы:

• экваториальные (=0);

• полярные (=90);

• наклонные (0<<90).

По форме орбиты:

• эллиптические (эксцентриситет 0<е<1);

• круговые (е=0).

По высоте орбиты:

• низкие (h=150-5000 км) с малым периодом обращения (1-3 часа);

• высокие (h>5000 км) с большим периодом обращения.

Если требуется, чтобы сеанс связи повторялся в одно и то же время суток, то применяют синхронные или субсинхронные орбиты, для которых период обращения равен длительности суток, деленное на целое число. Если один ИСЗ не обеспечивает круглосуточной связи, то используют несколько ИСЗ, смещенных по положению на орбите.

Орбита с периодом 24 часа называется стационарной, если ИСЗ движется в сторону вращения Земли с =0 называется синхронной (спутник неподвижен относительно Земли).

Полустационарная стабильная орбита - с наклоном 63,5 с периодом обращения 24 часа (проекция на землю - повторяющиеся восьмерки).

Согласно 2-му закону Кеплера радиус - вектор спутника в равные промежутки времени описывает равные площади. Поэтому движение ИСЗ на большой высоте (в апогее) замедляется, а в перигее ускоряется.

Низкие орбиты применяют для обеспечения связи непосредственно с мобильных переносных радиотелефонов. Достоинства: проще выводить спутник на орбиту (малые затраты); меньше затухание (ослабление) сигнала.

Недостатки:

• на малых высотах магнитное поле Земли имеет относительно большую напряженность и захватывает протоны с высокой энергией, образуя радиационные пояса Ван - Аллена. При движении в них спутника уровень радиации так высок, что солнечные элементы и другие полупроводниковые приборы быстро выходят из строя. Используют защитные покрытия или применяют более стойкие приборы, что ухудшает характеристики системы.

• магнитное поле Земли взаимодействует с полем токонесущих проводников и оболочки спутника, стабилизируемого вращением, что замедляет скорость его вращения. Требуется периодическая коррекция траектории спутника, что приводит к необходимости увеличения запасов топлива на борту ИСЗ.

• значительную часть времени спутник находиться в тени Земли, что приводит к увеличению емкости аккумуляторов и к увеличению числа солнечных батарей, чтобы за время нахождения на Солнце зарядить их.

• необходимость использования нескольких спутников для обеспечения круглосуточной связи.

• сложная система слежения за спутником.

Период обращения спутника определяется выражением , где А - величина главной (большой) полуоси эллипса; G - гравитационная постоянная (км³/с²).

Обращение спутника по круговой орбите с периодом, равном периоду вращения Земли (длительность сидерических суток 23 ч 56 мин 4,09 с), требует вывода спутника на высоту 35800 км. В экваториальной плоскости такой спутник будет неподвижен по отношению к любой точке на Земле (геостационарный спутник). В других плоскостях на этой высоте он будет каждые сутки описывать восьмерки относительно Земли.

Геостационарная орбита обладает следующими свойствами: земная станция может работать с одним или (при наличии многолучевой антенны) с несколькими спутниками без необходимости перехода на связь с одного спутника на другой (при нестационарных спутниках). Три спутника, размещенных соответствующим образом могут перекрыть всю Землю.

Недостатки:

• вывести спутники на такую орбиту довольно трудно;

• не обеспечивается покрытие полярных районов.

Обжитые области земного шара расположены большей частью в пределах геостационарных спутников. Поэтому для покрытия этих районов требуется использование высоких и средних орбит. Поддержка связи с высокими широтами необходима для сбора данных и в военной связи. На средневысотные полярные орбиты можно выводить гораздо большую полезную нагрузку.

Высокая орбита - орбита спутника "Молния" (СССР), используется для внутригосударственной связи. Эта орбита позволяет покрыть районы Дальнего Севера без уменьшения полезной нагрузки. Спутники "Молния" имеют сильно вытянутую эллиптическую орбиту с периодом обращения 12 ч и апогеем 40000 км в северном полушарии, перигеем 500 км.

Обычно главная ось любой эллиптической орбиты, называемая линией апсид, совершает медленное вращение вследствие несферичности Земли ("сплющенности" у полюсов). При некотором значении угла наклонения орбиты (около 62) этот эффект исчезает. Орбита с 12-часовым периодом при этом угле наклонения и апогее в северном полушарии оказывается удобным для покрытия северных районов. Эта орбита отличается тем, что на нее легко вывести полезную нагрузку со стартовых площадок, расположенных в северных широтах. Баллистические закономерности запуска таковы, что при любом угле наклонения орбиты, значение которого меньше широты стартовой площадки (например, для экваториальной), требуется особый маневр. Для стартовых площадок, расположенных в северных широтах, потери выводимой на орбиту полезной нагрузки довольно значительны. Это повлияло на СССР применить наклонную орбиту при запуске спутников со стартовых площадок, расположенных выше 45 с.ш. и на Францию разместить стартовые площадки во Французской Гвиане.

Покрытие северных районов достигается за счет одновременного функционирования нескольких спутников. Такая система часто менее удобна, чем система синхронных спутников.

Первая космическая скорость 7,91 км/с.

Рассмотрим схему траектории, считая, что движение ракет - носителей и спутников относительно Земли определяется классическими законами Ньютона для двух испытывающих гравитационное взаимодействие тел в изолированном пространстве.

Исходя из этого, полная энергия такой системы двух тел определяется выражением , где v - скорость объекта, m - его масса, R - расстояние от объекта до центра Земли, М - масса Земли (5,9*10²⁴ кг); G - универсальная гравитационная постоянная.

Когда спутнику сообщается количество энергии, достаточное для его вывода на геостационарную орбиту, носитель должен вывести спутник в точку, удаленную от центра Земли на 42160 км (радиус Земли на экваторе составляет 6360 км) и сообщить ему скорость равную 3070 м/с. Вследствие физических ограничений не удается с помощью носителя сообщить эту энергию спутнику путем непрерывно протекающего процесса.

В эквипотенциальном поле максимальное приращение скорости V реактивной системы определяется соотношением: , где с - эффективная скорость истечения газа, зависящая от типа топлива и размеров сопла;m₀ - полная масса системы, выводимой на орбиту; m_f - масса израсходованного топлива.

Максимальное приращение скорости в пределе ограничивается практически достижимыми значениями параметров двигателя, т.е. скоростью истечения газа и конструкцией ракеты-носителя (m_f/m₀). Из приведенного уравнения следует, что одна ракета не в состоянии обеспечить приращение скорости, достаточное для вывода спутника непосредственно на орбиту. Чтобы обойти это ограничение, используют процедуру многоступенчатого вывода, которая обеспечивает необходимое конечное значение скорости за счет последовательного использования нескольких ступеней, каждая из которых включается после полного выгорания топлива предыдущей ступени и ее отторжения.

Системы, использующие низкие орбиты (высотой 700-1500 км), обладают лучшими энергетическими характеристиками, нежели системы на высоких орбитах, но проигрывают им в продолжительности активной эксплуатации спутника. Так, если период обращения низкоорбитального КА составляет 100 мин, то в среднем 30 мин он находится на теневой стороне Земли. Соответственно, аккумуляторные батареи на борту низкоорбитальных спутников должны обеспечивать приблизительно 5000 циклов зарядки/разрядки в год. Срок службы низкоорбитальных спутников, как правило, не превышает 5-7,5 лет; один аппарат способен охватить не более 6-7% территории Земли.

Трасса средневысотных КА проходит между первым и вторым поясами Ван-Аллена, т.е. на высоте 5000-15 000 км. Один спутник может охватить около 25% поверхности Земли, что существенно больше зоны низкоорбитального спутника. Срок службы КА от 10 до 15 лет. Период его обращения на средневысотной орбите составляет около 6 ч, из которых он лишь несколько минут проводит в тени Земли, поэтому длительность циклов зарядки/разрядки солнечных батарей и их частота становятся в несколько раз меньшими, чем у низкоорбитальных систем. Это значительно облегчает работу бортовой системы электропитания и, в конечном счете, увеличивает срок службы КА до 12-15 лет. Для круговых орбит с высотой 10 000 км средняя продолжительность обслуживания составляет около 50 мин. (Для сравнения: в низкоорбитальной системе Iridium средняя продолжительность сеанса - 6 мин, а в Globalstar - 7 мин.)

Первыми для целей связи были применены низкоорби­тальные ИСЗ. Это объясняется, в частности, и тем, что вывод ИСЗ на низкие орбиты более прост и выполняет­ся с наименьшими энергетическими затратами. Первые запуски низкоорбитальных спутников связи показали возможность и целесообразность приме­нения ИСЗ для связи, подтвердили правильность техни­ческих принципов активной ретрансляции. Вместе с тем из первого опыта эксплуатации спутников на низких орбитах стало ясно, что они не могут обеспечить достаточно эффективного ре­шения задач спутниковой связи.

Для расширения районов и увеличения времени дейст­вия ССС предусматривалось пойти по пути увеличения числа ИСЗ в системе. Вскоре, однако, стало ясно, что многоспутниковая система связи на низкоорбитальных ИСЗ как система общего пользования обладает многими эксплуатационными неудобствами и нерентабельна.

В низкоорбитальных системах связи спутники могут размещаться в пространстве друг относительно друга случайно пли упорядоченно. При случай­ном расположении понадобится большее число ИСЗ, одна­ко упорядоченное местоположение их в пространстве по­требует немалых усилий для создания и сохранения заданного относительного расположения. При этом необ­ходимы постоянный контроль местоположения спутников и корректировка орбит вследствие эволюции их в процес­се полета.

К достоинствам ССС на низких орбитах относятся, как уже отмечалось, сравнительная дешевизна вывода их на орбиту и более простая бортовая аппаратура. К не­достаткам — трудность поддержания непрерывной круг­лосуточной связи, усложнения наземной аппаратуры за счет применения следящих антенных устройств, меньший срок существования КА.

Низкоорбитальные ССС могут оказаться эффективными в тех случаях, когда не требуется двусторонняя непрерывно действующая связь (например, если нужна лишь периодическая передача данных).

Для охвата связью большей территории Земли используют несколько плоскостей орбит. В системе обычно имеется одна или несколько станций управления спутниками и сетью связи, а также шлюзовые станции для интерфейса с сетями телефонии (передачи данных) общего пользования.

Повышенный интерес к использованию низкоорбитальных систем объясняется возможностью предоставления услуг персональной связи, включая радиотелефонный обмен и связь с подвижными объектами, с использованием сравнительно дешевых, малогабаритных земных терминалов. При этом сложность терминалов соответствует уровню станций наземных сотовых систем. В числе факторов, способствующих развитию низкоорбитальных спутниковых систем нельзя не учитывать биологический. Так, для реализации требований биозащиты человеческого организма от излучения СВЧ рекомендуемый уровень непрерывно излучаемой мощности радиотелефона составляет 50мВт. Эффективный прием сигнала такой мощности геостационарным спутником сопряжен со значительным усложнением последнего, а именно, созданием крупноразмерных антенн и удержания узких лучей диаграммы направленности в заданных регионах земной поверхности. Для низкоорбитального спутника, дальность радиолинии до которого от земной станции в сотни раз меньше, чем до геостационарного, проблема создания многолучевых направленных антенн является менее острой. Однако возникают сложности управления группировкой таких спутников и поддержания непрерывности связи.

Низкоорбитальные системы позволяют обеспечить связь с терминалами, размещенными в полярных широтах, и практически не имеют альтернативы при организации связи в регионах со слаборазвитой инфраструктурой связи и низкой плотностью населения.

Стоимость услуг подвижной связи низкоорбитальными системами оказывается в несколько раз дешевле аналогичных услуг, предоставляемых геостационарными системами за счет использования недорогих абонентских станций и менее дорогого космического сегмента.