Преимущества геостационарной орбиты

Геостационарная орбита (в Англии и в некоторых странах Евро­пы ее называют поясом Кларка) является уникальной и представ­ляет значительную эксплуатационную ценность. Ряд экваториаль­ных государств раньше хотели, чтобы участок орбиты, находящий­ся над их территорией, использовался бы только по договоренно­сти с ними. Не экваториальные страны, естественно, с этим согла­ситься не могли, рассматривая геостационарную орбиту как общее достояние человечества. Лишь в 1988 г. удалось согласовать план распределения позиций спутников для вещания в диапазонах час­тот 6/4 ГГц и 14/11 ГГц.

Преимущества геостационарной орбиты стимулируют все большее количество пользователей размещать на ней спутники различного назначения. С европейского континента можно "наблюдать" несколько десятков искусственных спутников, движущихся на геостационарной орбите. Через них осуществляется в первую очередь телефонная связь со странами американского континента и странами Ближнего Востока. Кроме того, много спутников задействовано для ретрансляции телевизионного и ра­диовещания. Использование геостационарной орбиты для этих целей дает следующие преимущества:

□ спутник движется по геостационарной орбите с запада на вос­ток длительное время без затрат энергии на это движение (как небесное тело) благодаря гравитационному притяжению Земли и собственной инерции, с линейной скоростью 3,074 км/с;

□ движущийся по геостационарной орбите с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения Земли, спутник совершает оборот точно за одни сутки, вследствие чего он оказывается неподвижно "висящим" над земной поверхностью;

□энергоснабжение его систем осуществляется от солнечных батарей, освещаемых Солнцем;

□ поскольку спутник не пересекает радиационный пояс Земли, а
находится выше его, то увеличивается надежность и ресурс работы
его электронных устройств и источников питания - солнечных ба­тарей;

□ связь с передающей станцией осуществляется непрерывно, без переключения с одного "заходящего" спутника на другой -"восходящий", то есть для обеспечения непрерывной постоянной связи необходим только один спутник;

□ в передающих антеннах в системе Земля-спутник устройства
автоматического слежения за спутником могут быть упрощены или
исключены вовсе, а в наземных приемных антеннах в них фактически нет необходимости, что обеспечивает простоту приемных устройств, их дешевизну, доступность и массовость рас­пространения;

□ так как расстояние до спутника на геостационарной орбите всегда постоянно (геостационарная орбита круговая,), то ослабление сигнала при прохождении по трассе Земля —> спутник —> Земля всегда определенное, не изменяющееся при движении спутника по орбите, что позволяет точно рассчитать мощность его бортового передатчика;

□ геостационарная орбита уникальна - спутники, расположенные на орбитах выше ее, "уходят" в космическое пространство, а, расположенные на орбитах ниже, - постепенно приближаются к Земле. И только спутники, находящиеся на геоста­ционарной орбите, синхронно вращаются на постоянном расстоя­нии от Земли и неподвижны относительно нее;

□ после окончания срока функционирования спутник переводит­ся на так называемую "кладбищенскую" орбиту, которая находится на 200 км выше геостационарной, и он постепенно удаляется от Земли в космическое пространство.

Если спутник находится ниже геостационарной орбиты, то он медленно приближается к Земле и сгорает (возможно не полностью) в плотных слоях атмосферы.

Благодаря своим уникальным свойствам и преимуществам геостационарная орбита на наиболее удобных участках (особенно над Тихим и Индийским океанами, а так же над Африканским континентом) "заселена" спутниками до предела. На геостационарной орбите определено 425 точек "стояния" - позиций спутников. Слово "позиция" однозначно определяет положение спутника на геостационарной орбите - его долготу.

 

Рис. 1.3 Видимость с нулевой долготы и со средних широт некоторых спутников-ретрансляторов, находящихся на геостационарной орбите в 1999-2000 гг

Например, на позиции 19,2° е. д. находится шесть спутников ASTRA 1A-ASTRA G, на позиции 13° в. д. - пять спутников семейства Hot Bird и т. д. На каждой позиции может находиться до десяти спутников. Функционирующих спутников на геостационарной орбите множество и количество их ежегодно увеличивается. Они "устанавливаются" на ор­бите согласно планам ВАКР 1977 и 1988 гг. Среди них имеются спутники, ретранслирующие радио- и телевизионные программы, а также спутники, предназначенные для обеспечения телефонной связи между странами и континентами. Некоторые из них "завершают" свою работу, перестают существовать и заменяются новыми, устанавливаемыми на той же позиции. Поэтому положение на геостационарной орбите в общем мало изменяется и, если смотреть с северного полушария на юг, геостационарная орбита выглядит на южной стороне небосвода в виде дуги, на которой расположены спутники-ретрансляторы различного назначения (рис. 1.3). Чем север­нее широта наблюдения, тем меньше дуга, тем меньше спутников вид­но на ней. Расстояние от спутника, находящегося на геостационарной орбите, до географической точки приема зависит от места ее расположения на поверхности Земли. Так, если точка приема находит­ся на экваторе, то расстояние до спутника составляет 35786 км; если она находится в средних широтах, то расстояние - около 37400 км и, если расположена в полярных широтах, расстояние до спутника уве­личивается до 41600 км. Это при условии, что точка приема находится на одной и той же долготе, что и спутник. Если долгота точки приема и долгота точки стояния спутника не совпадают, что характерно для большинства случаев, то расстояние увеличивается за счет увеличения наклонной дальности и может быть определено по формуле (2.3).

Другие орбиты

Эллиптические орбиты. Прием телевизионного спутникового вещания с геостационарной орбиты в точках, расположенных выше 81,3° северной и южной широт, весьма сложен при приемопередаче аналоговым способом, так как малый угол места приемной антенны приводит к ее практически полному затенению рельефом местности. Поэтому для обслуживания наземных территорий, расположенных выше 81,3^е северной и южной широт, используются спутники, нахо­дящиеся на эллиптической орбите, которая имеет угол наклона к плоскости Экватора 63,5° (рис. 1.4). Высота ее апогея в северном полушарии составляет около 40550 км, высота перигея в южном по­лушарии - 500 км. Движение спутника относительно Земли в области апогея замедляется, а область перигея, расположенную над южным полушарием Земли, спутник проходит очень быстро. Обслуживание северных территорий одним спутником возможно в течение не менее 8 ч, поэтому трех спутников, сменяющих друг друга с равными раз­ными фазами, достаточно для ведения круглосуточного приема. Очевидно, что антенна земной станции при передаче на спутник, а также антенны приемных станций на Земле должны отслеживать спутник на высоком участке эллиптической орбиты. Для этого нужна сложная и дорогостоящая система автосопровождения и система переключения с одного "заходящего" спутника на другой "восходя­щий". Если учесть высокую стоимость изготовления трех спутников, стоимость их запуска и эксплуатации, стоимость автосопровождения земных приемных устройств, то все вместе взятое делает экономи­чески не выгодным использование спутников на эллиптической орби­те для ретрансляции телевизионных программ.

Низковысотные и средневысотные круговые орбиты. Осо­бый интерес представляет использование спутников на невысоких околоземных орбитах. В зависимости от высоты орбиты различают круговые орбиты:

□ геостационарную (GEO);

□ низковысотную, Low Earth Orbit (LEO);

□ средневысотную, Medium Earth Orbit (MEO).

Небольшие расстояния от Земли до спутников, находящихся на невысоких орбитах, приводят к меньшим потерям сигнала и мень­шему времени его запаздывания. Кроме того, спутники на таких ор­битах позволяют охватить и приполярные районы. Однако здесь недостаточно иметь один спутник, а необходимо их около десятка и больше, и устанавливаться они должны на разных орбитах.

Низковысотные орбиты (LEO) используются системой IRIDIUM, представляющей собой спутниковую сеть персональной связи, предназначенную для обеспечения всего комплекса телефонных услуг: передачи речи, данных и т.д. в любую точку Земли и в любое время. В системе IRIDIUM сеть из 66 спутников на 6-ти орбитах в разных плоскостях располагается на высоте приблизительно 780 км над поверхностью Земли. На каждой из шести орбит движется 11 рабочих спутников и один запасной. По сравнению со спутника­ми на геостационарной орбите низкоорбитальные спутники позво­ляют осуществлять связь при помощи маломощной портативной наземной аппаратуры. Это реализуется благодаря их низким орби­там, небольшому расстоянию и возможности создать большую плотность потока мощности у поверхности Земли (в относительно узкой полосе частот - до 4 кГц). Поэтому приемопередающее уст­ройство - абонентский телефон - становится также столь малым, что помещается на ладони. Срок жизни спутника на низких орбитах небольшой (всего 6...8 лет) из-за того, что спутник пересекает ра­диационный пояс Земли и аппаратура под воздействием радиации (накопленной дозы) выходит из строя

Апогей

 

 

Перигей Рис. 1.4 Эллиптическая (1) и геостационарная (2) орбиты