1.3. Орбиты исз и зоны обслуживания
Орбита – это траектория движения искусственного спутника Земли. После вывода спутника на орбиту ракетные двигатели выключаются, и спутник, как и всякое небесное тело, движется по инерции. Орбита определяется притяжением Земли; влиянием луны, солнца и др. планет; световым давлением, магнитным полем Земли.
Вычисление идеальной траектории представляет сложную задачу, так как Земля является сложной формой с распределением массы. Но эти факторы не учитывают, считая, что движение спутника происходит в поле тяготения шарообразной земли со сферической поверхностью и равномерным распределением плотности. Поле тяготения в этом случае называется центральным.
Рисунок 1.3 Орбита ИСЗ
Орбита имеет форму эллипса, в одном из фокусов (а не в центре) которого располагается Земля. Плоскость орбиты проходит через центр Земли и остается неподвижной во времени. Поскольку при движении в безвоздушном пространстве энергия не расходуется, то полная механическая энергия ИСЗ (кинетическая и потенциальная) не меняется
в течение длительного времени. Это приводит к тому, что при удалении от Земли скорость спутника и его кинетическая энергия падают, при приближении к Земле — растут. Точка орбиты, соответствующая минимальному расстоянию до центра Земли, называется точкой перигея орбиты; максимальному — точкой апогея. В зависимости от положения орбиты к земле различают: экваториальные, наклонные и полярные орбиты.
Рисунок 1.4 Наклонение орбиты
Важнейший параметр орбиты — период обращения Т, определяемый как время между двумя последовательными прохождениями спутника через одну и ту же точку орбиты. Для установления связи удобно, чтобы спутник появлялся над одними и теми же районами Земли в одно и то же время. Этому требованию отвечают синхронные орбиты с периодом обращения, кратным времени оборота Земли вокруг своей оси (звездным суткам, ТЗ = 23 ч 56 мин 04 с).
Таблица 1.1 Параметры синхронных орбит
По законам Кеплера чем ниже орбита "ИСЗ, тем меньше период обращения.
Предпоследняя строка в табл. 1.1 для эллиптической орбиты при наклонении 65° характерна для широко используемых спутников типа «Молния». Удобство такой орбиты заключается не только в ее синхронности, но и в большой зоне видимости благодаря значительной высоте ИСЗ в апогее. Самое главное преимущество такой орбиты заключается в том, что апогей расположен над северным полушарием и спутник в верхней части орбиты «освещает» почти всю территорию России, в том числе приполярные области. Благодаря замедленному движению спутника в верхней части орбиты такая видимость длится не менее 8 часов. Поэтому трех сменяющих друг друга ИСЗ достаточно для круглосуточной связи с короткими перерывами в заранее известное время для перевода антенн всех ЗС с заходящего ИСЗ на восходящий (при долготе апогея одного из витков, соответствующей примерно середине территории России). Это справедливо даже при условии, что второй (за сутки) виток ИСЗ, апогей которого оказывается над западным полушарием, не используется.
В последнее время возрос интерес к использованию для связи спутников на низких и отчасти средних орбитах. Главная причина этого интереса — меньшее затухание сигналов на трассе Земля - спутник, что позволяет создать принципиально новый тип систем спутниковой связи — системы подвижной персональной связи с терминалом размером с обычную телефонную трубку.
Высота низких орбит обычно составляет не более 1000 км (чаще всего 700 км), поскольку выше располагаются пояса повышенной радиации, причиняющие вред элементам спутника.
Экваториальная орбита находится в плоскости экватора, имеет круговую форму и высоту 35836 км с периодом обращения спутника на ней равной 24 часам, при условии, если направление движения спутника совпадает с направлением вращения Земли относительно своей оси (с запада на восток) – это геостационарная орбита. Она обладает уникальными свойствами: спутник на ней будет казаться земляному наблюдателю неподвижным и называться стационарным.
«Зона видимости» ИСЗ – это поверхность Земли, с которой ИСЗ виден под углом больше некоторого минимально допустимого значения (например, 5°) в течение заданной длительности сеанса связи.
Под мгновенной зоной видимости понимается зона видимости в определенный момент, т.е. при нулевой длительности сеанса связи. При движении ИСЗ мгновенная зона перемещается, и поэтому в течение сеанса некоторой длительности она всегда меньше мгновенной, так как представляет собой внутреннюю огибающую мгновенных зон.
Зона покрытия – часть зоны видимости, в которой обеспечиваются необходимые энергетические соотношения на линии связи при определенных параметрах земной станции.
Если диаграммы направленности бортовых антенн ИС3 на прием и передачу достаточно широки, чтобы охватить всю видимую с ИСЗ часть Земли при малой неравномерности усиления, то зона покрытия совпадает с зоной видимости – это так называемая глобальная зона покрытия. Однако для улучшения энергетики линий связи все чаще создаются зоны покрытия малого размера максимально приближенные к границам обслуживаемой территории – региона, государства или даже области.
Часто зона покрытия определяется как территория, в каждой точке которой угол места при направлении антенны ЗС на спутник не меньше минимально допустимого, и плотность потока мощности, создаваемого передатчиком ИСЗ, не ниже требуемой. На практике часто энергетический баланс на участке Земля – спутник не является главным, поскольку соответствующим увеличением мощности передатчика ЗС можно достичь необходимого уровня сигнала на входе приемника ИСЗ. В этой ситуации последнее определение зоны покрытия вполне справедливо. Однако в ССС с разветвленной сетью земных станций передатчики ЗС оказываются одной из самых дорогостоящих частей системы, и не считаться с энергетикой на линии «вверх» нельзя. Поэтому данное ранее определение является наиболее общим. Таким образом, построение зоны покрытия на карте распадается на четыре этапа.
1. Определение зоны видимости: для этого решается чисто геометрическая задача определения угла места для ЗС в некоторой точке земной поверхности, угла между направлением от этой точки на ИСЗ и поверхностью Земли.
2. Определение зоны, в которой ИСЗ создает необходимую плотность потока мощности. Для этого проводится энергетический расчет (см. гл. 5) линии спутник-Земля по направлениям, соединяющим ИСЗ с различными точками земной поверхности.
3. Определение зоны, которая отвечает условию приема космической станцией с необходимым качеством сигналов от находящейся в пределах зоны земной станции с нормированной в данной системе излучаемой мощностью.
4. Определение зоны покрытия. На карту наносятся все три определенные зоны, и строится их внутренняя огибающая. Таким образом, зоной покрытия является территория, принадлежащая каждой из трех построенных зон, т.е. территория, на которой выполняются условия радиовидимости и условия необходимого качества связи на линиях спутник – Земля и Земля – спутник.