Искусственные спутники земли на примере спутниковых систем связи кратко

Обновлено: 05.07.2024

Первый ИСЗ "Спутник".
Запущен по программе МГГ (Международный геофизический год) в период максимальной солнечной активности (1957-1958). Масса спутника 83,6 кг. Корпус — сфера диам. 0,58 м. Время существования 92 сут.

Первый ИСЗ с животным ("Спутник-2" с собакой Лайкой).
Спутник не отделялся и представлял собой всю вторую ступень — центральный блок ракеты. Масса полезного груза 503,8 кг Дата запуска 03.11.1957

Первый связной ИСЗ — активный ретранслятор ("Атлас-Скор")
англ. Atlas-Score, "Атлас" от названия ракеты-носителя и SCORE от Signal Communcations Orbit Relay Experiment - эксперимент по ретрансляции сигналов связи с орбиты. Дата запуска 18.12.1958

Первый советский ИСЗ-разведчик ("Зенит-2")
Официальное название "Космос-4". Создан на базе КС "Восток 2К". Имел спускаемую капсулу для возвращения научной аппаратуры и фотопленки на Землю. Дата запуска 26.04.1962

20. Автоматические межпланетные станции: цели и задачи их применения, примеры выполнения.

Автоматическая межпланетная станция (АМС) — беспилотный космический аппарат, предназначенный для полёта в межпланетном космическом пространстве (не по геоцентрической орбите) с выполнением различных поставленных задач. В то время как стран, имеющих околоземные спутники — несколько десятков, сложные технологии межпланетных станций освоили всего несколько стран — СССР/Россия, США, Европа/ESA, Япония, Китай, Индия. При этом к Марсу, Венере и кометам отправляли АМС только первые четыре, к астероидам — только США, Европа и Япония, к Меркурию, Урану и Нептуну - только США, к Юпитеру и Сатурну — США, из них две АМС с участием ESA. Ввиду значительной стоимости и высокой сложности межпланетных перелетов большие перспективы имеют международные проекты в этой области. К примеру, зонд нового поколения для исследования системы Юпитера планируется при совместном участии NASA, ESA, Роскосмоса и JAXA. АМС обычно предназначается для выполнения комплекса задач, начиная научно-исследовательскими проектами, и заканчивая политическими демонстрациями. Типичными объектами для исследовательских задач являются другие планеты, их естественные спутники, кометы и другие объекты Солнечной системы. При этом обычно производится фотографирование, сканирование рельефа; измеряются текущие параметры магнитного поля, радиации, температуры; химический состав атмосферы другой планеты, грунта и космического пространства вблизи планеты; проверяются сейсмические характеристики планеты. Накопленные измерения периодически передаются на Землю с помощью радиосвязи. Большинство АМС имеют двунаправленную радиосвязь с Землёй, что даёт возможность использовать их как дистанционно управляемые приборы. В данный момент в качестве канала для передачи данных используют частоты в радиодиапазоне. Исследуются перспективы применения лазеров для межпланетной связи. Большие расстояния создают существенные задержки при обмене данными, поэтому степень автоматизации АМС стремятся максимально увеличить.

Первый искусственный спутник Луны (ИСЛ "Луна-10")
Время существования 56 суток, совершил 460 оборотов вокруг Луны запуск 31.03.1966, вывод на орбиту вокруг Луны 03.04.1966

Первый искусственный спутник Марса ИСМ ("Маринер-9")
Масса КА 998 кг, в т.ч. 450 кг КТДУ, тягой 1,3 кН. Передал 7329 снимков Марса (разрешение до 0,1 м), его спутников Деймоса и Фобоса. На базе снимков составлена карта планеты и выбраны районы посадки посадочных модулей КА "Викинг-1" и "Викинг-2", которые совершили посадку на Марсе 20.07. и 04.09. 1976 на расстоянии 6400 км друг от друга. Запуск 30.05.1971; вывод на обиту вокруг Марса 14.11.1971

Первые советские искусственные спутники Марса ИСМ ("Марс-2", "Марс-3")
Масса космических аппаратов по 4650 кг, они имели орбитальные отсеки и спускаемые аппараты. ИСМ, после отделения, торможения в атмосфере, спуске и мягкой посадки СА на марсианскую поверхность, являлись ретрансляторами передачи данных от СА на Землю. ИСМ имели научную аппаратуру и по две фототелевизионных камеры с различными фокусными расстояниями для съемки поверхности Марса. Запуск 19.05 и 28.05.1971; вывод на орбиту вокруг Марса 27.11 и 02.12.1971

Первые искусственные спутники Венеры ИСВ ("Венера-9", "Венера-10").
Запуск 08.06 и 14.06.1975; вывод на орбиту вокруг Венеры 22.10 и 25.10.1975.

Первый искусственный спутник Сатурна АМС "Кассини".
Бюджет проекта более $3 млрд. С помощью этого аппарата открыто множество новых спутников Сатурна, получены уникальные фотографии самой планеты и ее спутников. Масса "Кассини" при старте составила 5710 кг, включая 320-килограммовый "Гюйгенс", 336 кг научных приборов и 3130 кг топлива. Размеры станции составляют 6,7 м в высоту и 4 м в ширину. Дата запуска 15.10.1997, вывод на орбиту Сатурна 30.06.2004 Первый искусственный спутник Меркурия "Messenger" в переводе "Посланник" - сокращение от MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry and Ranging Стартовая масса АМС MESSENGER — около 1100 кг, причем почти 600 кг (более половины всей массы) — топливо. Корпус аппарата изготовлен из композиционного графитового материала и имеет размеры 1,42×1,85×1,27 м. Мощность 450 кВт Дата запуска 17.03.2011 выход на орбиту 18.03.2011.

20. Автоматические межпланетные станции: цели и задачи их применения, примеры выполнения.

Стремительное развитие космонавтики, успехи в изучении и исследовании околоземного и межпланетного космического пространства в огромной степени расширили наши представления о Солнце и Луне, о Марсе, Венере и других планетах. Очень результативным оказалось изучение верхних слоев атмосферы, ионосферы, магнитосферы. Вместе с тем выявилась весьма высокая эффективность использования околоземного космоса и космической техники в интересах многих наук о Земле.

Использование искусственных спутников Земли для связи и телевидения, оперативного и долгосрочного прогнозирования погоды и гидрометеорологической обстановки, для навигации на морских путях и авиационных трассах, для высокоточной геодезии, изучения природных ресурсов Земли и контроля среды обитания становится все более привычным. В ближайшей и в более отдаленной перспективе разностороннее использование космоса и космической техники, в различных областях хозяйства значительно возрастет.

Для нашей эпохи характерен огромный рост информации во всех сферах деятельности человека. Помимо прогрессирующего развития традиционных средств передачи информации—телефонии, телеграфии, радиовещания, возникла потребность в создании новых ее видов — телевидения, обмена данными в автоматических системах управления и ЭВМ, передачи матриц для печатания газет.

Глобальный характер различных хозяйственных проблем и научных исследований, широкая межгосударственная интеграция и кооперация в производстве, торговле, . научно-исследовательской деятельности, расширение обмена в области культуры привели к значительному росту международных и межконтинентальных связей, включая обмен телевизионными программами.

Традиционные средства связи в отношении их видов, объема, дальности, оперативности и надежности передачи информации будут непрерывно совершенствоваться. Однако дальнейшее развитие их встречает немалые затруднения как технического, так и экономического характера. Уже теперь ясно, что требования, предъявляемые к пропускной способности, качеству, надежности каналов дальней связи, не могут быть полностью удовлетворены наземными средствами проводной и радиосвязи.

Сооружение дальних наземных и подводных кабельных линий занимает много времени. Они сложны и дорогостоящи не только в строительстве, но и в эксплуатации, и в отношении дальнейшего развития. Обычные кабельные линии имеют к тому же сравнительно малую пропускную способность. Лучшие перспективы имеют широкополосные концентрические кабели, однако и они обладают рядом недостатков, ограничивающих их применение.

Значительно большей пропускной способностью, дальностью действия, возможностью перестройки для различных видов связи располагает радио. Но и радиолинии обладают определенными недостатками, затрудняющими во многих случаях их применение.

Сверхдлинноволновые системы радиосвязи из-за ограниченности диапазона применяются обычно лишь для нужд транспорта, авианавигации и для специальных видов связи.

Длинноволновые радиолинии из-за ограниченной пропускной способности и сравнительно малого диапазона действия используются главным образом для местной радиосвязи и радиовещания.

Коротковолновые радиолинии обладают достаточной дальностью действия и широко применяются во многих видах связи различного назначения.

Новые пути преодоления свойственных дальней радиосвязи недостатков открыли запуски искусственных спутников Земли (ИСЗ).

Практика подтвердила, что использование ИСЗ для связи, в особенности для дальней международной и межконтинентальной, для телевидения и телеуправления, при передаче больших объемов информации, позволяет устранить многие затруднения. Вот почему спутниковые системы связи (ССС) в короткий срок получили небывало быстрое, широкое и разностороннее применение.

II. Первый искусственный спутник Земли.

Эта задача рассматривалась в ОКБ не как разовая, а с расчетом на создание специального направления в развитии ракетостроения Такая масштабная постановка вопроса требовала большой предварительной подготовки, вплоть до оценки стоимости предстоящих работ по созданию ИСЗ.

Самое примечательное в документах на эту тему — это суждения о перспективе работ по ИСЗ. Разработка простейшего спутника — это только первый этап. Второй этап — создание спутника, обеспечивающего полет одного — двух человек по орбите. Третий этап работ- создание спутника-станции для длительного пребывания людей на орбите. При осуществлении этого проекта предлагалось собирать спутник-станцию из отдельных частей, доставляемых поочередно на орбиту.

Подготовительные работы к первым пускам ракеты шли со значительными трудностями и отставанием от установленных сроков. Вместе с тем, конструктора выражали уверенность, что при напряженной работе в марте 1957 г. начнутся пуски ракет. Ракету путем некоторых переделок можно приспособить для пуска в варианте искусственного спутника Земли, имеющего небольшой полезный груз в виде приборов весом около 25 кг… и отделяющийся шаровидный контейнер собственно спутника диаметром около 450 мм и весом 40-50 кг.

И вот в Советском Союзе была создана ракета, способная развить скорость 8 км/сек. Она стартовала 4 октября 1957 г. Взлетев ввысь вертикально, свечкой, ракета пронзила стратосферу. Ее вели автоматические устройства, действующие по заданной программе. Ракета поднялась на двести с лишком километров, постепенно приняла горизонтальное направление и легла на курс. Нужно было это сделать очень точно:

ошибка на один градус испортила бы все. Но автоматы действовали безупречно. Ракета набрала нужную скорость и отправила в путь блестящий шар из алюминиевых сплавов— первый в мире искусственный спутник, сделанный в нашей стране.

8 км в секунду, 28800 км в час!

Если в какую-либо минуту спутник был над Австралией, то через 20 минут — над Аляской, еще через 12 минут — над Нью-Йорком, еще через 10 — над Бразилией. За полтора часа — кругосветное путешествие, 15 оборотов в сутки, и всякий раз по новой трассе, потому что плоскость орбиты спутника в пространстве неподвижна, а Земля вращается вокруг своей оси внутри этой орбиты.

Первый спутник был невелик: диаметр его — 58 см, вес — 83,6 кГ. У него были двухметровые усы — антенны. Внутри — два радиопередатчика Проносясь над всеми странами мира, спутник оповещал, что эра космических странствий уже наступила, и эту эру открыла страна социализма. За ним отправились в странствование вокруг Земли второй и третий спутники.

Сигналы его показывали, как проходят радиоволны через верхние наэлектризованные слои атмосферы, позволяли глубже понять их строение.

Некоторые особенности в движении спутника указывают на неравномерное притяжение Земли. Это позволяет уточнить форму и строение нашей планеты, найти скрытые под Землей тяжелые или легкие массы.

Теоретически тело, летящее над Землей со скоростью 8 км/сек, не упадет никогда. Но первые спутники не могли летать вечно. Ничтожное сопротивление воздуха со временем затормозило их полет. Они снижались и, влетев в плотные слои воздуха, сгорали и рассыпались.

Теперь нужно было решить самый важный вопрос: может ли живое существо перенести космический полет, или оно неминуемо погибнет за пределами атмосферы? Второй советский искусственный спутник, стартовавший 3 ноября 1957 г., должен был ответить на этот вопрос. На нем в космос на высоту до 1670 км отправилась первая путешественница — собака Лайка. Специальные приборы следили за ее дыханием, пульсом, кровяным давлением. Мы знаем, что Лайка хорошо перенесла стремительный старт и многосуточное путешествие вокруг Земли. На третьем советском искусственном спутнике Земли была установлена еще белее разнообразная аппаратура для изучения свойств земной атмосферы, солнечного излучения и т. п. Он весил 1,3 тонны, и запасы его электрической анергии для питания приборов пополнялись за счет действия солнечных лучей на установленные приспособления. Позднее несколько искусственных спутников удалось запустить и в США.

Третий советский спутник оказался самым долговечным и самым тяжелым. Советские люди сумели забросить в пространство солидное сооружение, размером с легковую машину.

III. Спутниковые системы связи.

Интересно, что идея применения искусственных спутников Земли для связи была высказана еще до запуска первого спутника. В 1945 г. известный советский ученый П. В. Шмаков выдвигал идею использования ИСЗ для организации всемирного телевизионного вещания.

Каковы же принципы применения ИСЗ для целей связи и почему спутниковые системы позволяют преодолеть многие трудности, возникающие при организации связи старыми, традиционными методами?

Известно, что шар отражает электромагнитные волны равномерно во всех направлениях, а его эффективная отражающая поверхность пропорциональна квадрату диаметра. Повышение отражательных свойств такого шара может быть достигнуто за счет увеличения его диаметра. Надув шара осуществлялся после вывода ИСЗ на орбиту способом сублимации. Оболочка имела защитную пленку и специальное металлизированное покрытие. Шар был составлен из отдельных меридиональных сегментов. Металлические шаровые сегменты, накладываемые на сферу, обеспечивали электрический контакт между всеми меридиональными сегментами.

Несмотря на очевидную простоту, дешевизну и определенные технические достоинства такой системы спутниковой связи, очень скоро выявились и серьезные ее недостатки. Для поддержания устойчивой связи потребовалась большая мощность передающих и высокая чувствительность приемных наземных устройств. Но и при выполнении этих условий радиолинии работали недостаточно устойчиво, были подвержены влиянию помех. Срок жизни таких спутников вследствие изменения их формы, сжатия оболочки и ухудшения отражательных свойств, а также из-за быстрой потери высоты оказался небольшим.

Спутник, однако, постоянно перемещается в пространстве и не может всегда находиться в зоне совместной видимости пунктов, нуждающихся в связи. Как же работает ССС, если требуется длительная, многочасовая или даже круглосуточная, связь между заданными пунктами ?

Одно из возможных решений этой задачи — запуск на соответствующие орбиты такого количества спутников, чтобы, как только один из них выйдет из зоны совместной радиовидимости пунктов, нуждающихся в связи, другой ИСЗ тотчас же входил бы в эту зону. Однако даже при достаточно большом количестве спутников, если их положение на орбитах случайно, не исключено такое положение, когда в зоне совместной видимости двух пунктов, нуждающихся в связи, не окажется ни одного ИСЗ.

От чего же зависит количество ИСЗ, необходимых для обеспечения непрерывной связи? Очевидно, что, чем больше высота их орбит, тем длительнее совместная видимость ИСЗ наземными пунктами.

Наклонение — важнейшее условие охвата системой спутниковой связи определенного района Земли, заданной зоны обслуживания. В связи с первостепенной, можно сказать определяющей, ролью орбит ИСЗ в системах спутниковой связи необходимо, хотя бы очень кратко, остановиться на некоторых основных их типах и понятиях.

Круговая орбита — это орбита, у которой расстояние от спутника до центра Земли приблизительно постоянно. Эллиптическая орбита — когда спутник движется вокруг Земли по кривой, близкой к эллипсу. Максимальное удаление ее от Земли (апогей) и минимальное (перигей) могут существенно отличаться друг от друга. Форма эллипса определяется величиной его эксцентриситета (отношением разности расстояний от центра Земли до апогея и перигея к большой оси эллипса). Орбиты с большим эксцентриситетом имеют высокий апогей и называются высокоэллиптическими.

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.

Системы связи с использованием низкоорбитальных ИСЗ

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).

Системы связи с ИСЗ на высокоэллиптических орбитах

Чтобы избежать недостатков, свойственных спутниковой системе связи на низких орбитах, надо повышать высоту орбит. Возможны два варианта таких орбит — высокие круговые и высокоэллиптические. Выведение ИСЗ на высокоэллиптические орбиты в некоторых случаях имеет известные преимущества.

За счет высоты орбиты длительность связи увеличится. Причем она дополнительно возрастет еще вследствие того, что отношение времени видимости находящегося близко к апогею спутника в заданной зоне к периоду его обращения у спутников с эллиптической орбитой оказывается существенно больше.

Согласно законам небесной механики (второму закону Кеплера) при движении спутника по эллиптической орбите его угловая скорость тем меньше, чем дальше он находится от центра Земли. Иными словами, спутник в районе апогея движется существенно медленнее, чем в районе перигея. При определении расчетных параметров орбит спутников связи, естественно, учитываются также энергетические характеристики ракеты-носителя, возможности космодрома и командно-измерительного комплекса и другие факторы, обусловливающие вывод спутника на орбиту и управление им в полете.

Орбитальная структура систем спутниковой связи (количество ИСЗ, их орбиты и взаимоположение в пространстве) обусловливается требованиями надежности, непрерывности, дальности действия связи, минимально допустимым углом места, при котором работоспособны наземные станции, и другими факторами.

Системы с геостационарными ИСЗ

Все большее распространение получают системы спутниковой связи с геостационарными ИСЗ, называемыми часто СИСЗ (стационарные ИСЗ). Они применяются для телефонно-телеграфной связи, радио- и телевещания. Создаются геостационарные космические аппараты комплексного типа для метеорологических целей, изучения природных ресурсов Земли, контроля среды обитания, выполнения других задач.

Важнейшим достоинством геостационарных ИСЗ является образование огромной постоянной зоны видимости для многочисленных пунктов на Земле, охват обширных территорий, возможность организации связи на большую дальность и со значительным числом корреспондентов.

Существенное преимущество ССС со спутниками на геостационарных орбитах состоит в том, что при их использовании снижаются требования к наземным системам слежения и связи, при этом упрощаются или устраняются и устройства наведения бортовых антенн. помощью трех таких спутников, расположенных друг относительно друга под углами 120°, можно создать глобальную систему связи, т. е. систему, практически охватывающую всю Землю.

Геостационарные спутники связи, которые образно можно себе представить как телебашни, поднятые на высоту 36 тыс. км, в принципе позволяют вести и прямые передачи без помощи местных телецентров, непосредственно на абонентские антенны. В настоящее время уровень мощности излучаемых телесигналов с геостационара еще недостаточен для приема на обычную, типовую абонентскую антенну, поэтому приходится применять небольшие специальные антенны группового пользования. Что касается радиовещания, то прием его может осуществляться на совсем небольшие наружные антенны.

Пропускная способность, разветвленность систем, надежность и экономичность ССС постоянно растут. Многопрограммным телевидением постепенно охватываются все новые районы, включая и самые отдаленные уголки России. Возрасло значение ССС в управлении различными отраслями народного хозяйства, в системах массового обучения, оповещения о различного рода стихийных явлениях, оказания медицинской помощи. Массовое распространение получили мобильные средства спутниковой связи, позволяющие быстро и практически в любых районах страны организовать связь с помощью ИСЗ.

С каждым годом спутниковые системы связи будут становиться все более существенной частью Единой системы связи, важным элементом глобальной системы связи. Они и теперь играют заметную роль в улучшении связей и взаимопонимания между странами, а в течением времени эта роль будет возрастать.

В искусственные спутники Они представляют собой транспортные средства или устройства, специально созданные для запуска в космос без необходимости в команде, чтобы совершать орбитальные операции вокруг Земли или любого другого небесного тела.

Первые идеи о создании искусственных спутников исходили от авторов-фантастов, таких как Жюль Верн и Артур Кларк. Последний был офицером-радаром в Королевских ВВС и в конце Второй мировой войны задумал использовать три спутника на орбите вокруг Земли для обслуживания телекоммуникационной сети.

В то время еще не было средств для вывода спутника на орбиту. Военным США потребовалось еще несколько лет, чтобы создать первую спутниковую связь в начале 1950-х годов.

После этого Соединенные Штаты запустили Echo I в целях связи. С тех пор обе державы осуществили многочисленные запуски на орбиту, и впоследствии многие страны присоединились к новой технологии.

Для чего нужны искусственные спутники?

-В научных и метеорологических исследованиях, включая картографию и астрономические наблюдения.

-Для целей военной разведки.

-Для навигации и определения местоположения используется одна из самых известных систем GPS (Global Positioning System).

-Для наблюдения за земной поверхностью.

-На космических станциях, предназначенных для знакомства с жизнью за пределами Земли.

Как они работают?

В своей работе ПринципИсаак Ньютон (1643-1727) установил, что необходимо для вывода спутника на орбиту, хотя вместо спутника он использовал в качестве примера пушечное ядро, выпущенное с вершины холма.

Выстреливая с определенной горизонтальной скоростью, пуля следует по обычной параболической траектории. С увеличением скорости горизонтальный вылет становится все больше и больше, что было ясно. Но заставит ли пуля выйти на орбиту вокруг Земли при определенной скорости?

Земля изгибается от линии, касающейся поверхности, со скоростью 4,9 м на каждые 8 км. Любой объект, выпущенный из состояния покоя, упадет на 4,9 м за первую секунду. Следовательно, при горизонтальном выстреле с пика со скоростью 8 км / с пуля упадет на 4,9 м за первую секунду.

Но Земля за это время также опустится на 4,9 м, так как она изгибается под пушечным ядром. Он продолжает горизонтальное движение, покрывая 8 км, и в течение этой секунды останется на той же высоте по отношению к Земле.

Естественно, то же самое происходит через следующую секунду и во все последующие секунды, превращая пулю в искусственный спутник без какой-либо дополнительной тяги, пока нет трения.

Однако трение, вызванное сопротивлением воздуха, неизбежно, поэтому необходима ракета-носитель.

Ракета поднимает спутник на большую высоту, где более тонкая атмосфера оказывает меньшее сопротивление и обеспечивает необходимую горизонтальную скорость.

Такая скорость должна быть больше 8 км / с и меньше 11 км / с. Последний является космическая скорость. Спроектированный с такой скоростью, спутник отказался бы от гравитационного воздействия Земли, уходя в космос.

Структура искусственного спутника

Искусственные спутники содержат различные сложные механизмы для выполнения своих функций, которые включают прием, обработку и отправку различных типов сигналов. Они также должны быть легкими и автономными.

Основные конструкции общие для всех искусственных спутников, которые, в свою очередь, имеют несколько подсистем по назначению. Они монтируются в корпус из металла или других легких составов, который служит опорой и называется автобус.

В автобусе можно найти:

- Центральный модуль управления, содержащий компьютер, с помощью которого обрабатываются данные.

- Приемные и передающие антенны для связи и передачи данных по радиоволнам, а также телескопы, камеры и радары.

- Система солнечных батарей на крыльях для получения необходимой энергии и аккумуляторных батарей, когда спутник находится в тени. В зависимости от орбиты спутникам требуется около 60 минут солнечного света для подзарядки батарей, если они находятся на низкой орбите. Более далекие спутники проводят гораздо больше времени под воздействием солнечного излучения.

Поскольку спутники длительное время подвергаются воздействию этого излучения, необходима система защиты, чтобы избежать повреждения других систем.

Открытые части сильно нагреваются, в то время как в тени они достигают чрезвычайно низких температур, потому что атмосферы недостаточно для регулирования изменений. По этой причине радиаторы необходимы для устранения тепла и алюминиевые крышки для сохранения тепла, когда это необходимо.

Типы искусственных спутников

В зависимости от траектории искусственные спутники могут быть эллиптическими или круглыми. Конечно, каждому спутнику назначена орбита, которая обычно совпадает с направлением вращения Земли, называемым асинхронная орбита. Если по какой-то причине спутник движется в обратном направлении, то он ретроградная орбита.

Под действием силы тяжести объекты движутся по траекториям эллиптический по законам Кеплера. Искусственные спутники этого не избегают, однако некоторые эллиптические орбиты имеют такой небольшой эксцентриситет, что их можно считать круговой.

Орбиты также могут быть наклонены по отношению к экватору Земли. При наклоне 0º это экваториальные орбиты, если они 90º, они полярные орбиты.

Высота спутника также является важным параметром, поскольку на высоте 1500–3000 км находится первый пояс Ван Аллена, региона, которого следует избегать из-за высокого уровня радиации.

Спутниковые орбиты

Орбита спутника выбирается в соответствии с его миссией, поскольку есть более или менее благоприятные высоты для различных операций. По этому критерию спутники классифицируются как:

–НОО (низкая околоземная орбита)Они имеют высоту от 500 до 900 км и описывают круговую траекторию с периодами приблизительно полтора часа и наклоном 90 градусов. Они используются для мобильных телефонов, факсов, персональных пейджеров, автомобилей и лодок.

–MEO (Средняя околоземная орбита)Они находятся на высоте 5000–12000 км, при наклоне 50º и продолжительностью около 6 часов. Они также используются в сотовой телефонии.

–GEO (геосинхронная земная орбита), или геостационарная орбита, хотя между этими двумя терминами есть небольшая разница. Первые могут иметь переменный наклон, а вторые всегда под углом 0 °.

В любом случае они находятся на большой высоте -36000 км более или менее-. Они перемещаются по круговым орбитам за 1 день. Благодаря им, помимо других услуг, доступны факс, междугородная телефония и спутниковое телевидение.

Геостационарные спутники

Вначале спутники связи имели периоды, отличные от периода вращения Земли, но это затрудняло размещение антенн, и связь была потеряна. Решением было разместить спутник на такой высоте, чтобы его период совпадал с периодом вращения Земли.

Таким образом, спутник вращается вместе с Землей и кажется фиксированным по отношению к ней. Высота, необходимая для вывода спутника на геостационарную орбиту, составляет 35786,04 км и известна как ремень clarke.

Высоту орбиты можно рассчитать, установив период, используя следующее выражение, полученное из закона всемирного тяготения Ньютона и законов Кеплера:

Где P - период,к - длина большой полуоси эллиптической орбиты, грамм универсальная постоянная гравитации и M это масса Земли.

Так как таким образом ориентация спутника по отношению к Земле не изменяется, это гарантирует, что он всегда будет контактировать с ней.

Важнейшие искусственные спутники Земли

Спутник

Это был первый искусственный спутник в истории человечества, выведенный на орбиту бывшим Советским Союзом в октябре 1957 года. За этим спутником последовали еще 3 спутника в рамках программы Sputnik.

Первый спутник был довольно маленьким и легким: в основном это было 83 кг алюминия. Он был способен излучать частоты от 20 до 40 МГц. Он находился на орбите в течение трех недель, после чего упал на Землю.

Реплики Спутника сегодня можно увидеть во многих музеях Российской Федерации, Европы и даже Америки.

Космический шаттл

Другой хорошо известной пилотируемой миссией была космическая транспортная система STS или космический шаттл, которая находилась в эксплуатации с 1981 по 2011 год и участвовала, среди других важных миссий, в запуске космического телескопа Хаббл и Международной космической станции, в дополнение к миссиям ремонт других спутников.

Космический шаттл имел асинхронную орбиту и был многоразовым, поскольку он мог приходить и уходить на Землю. Из пяти паромов два были случайно уничтожены вместе со своими экипажами: Challenger и Columbia.

Спутники GPS

Система глобального позиционирования широко известна тем, что позволяет точно определять местоположение людей и объектов в любой точке земного шара. Сеть GPS состоит как минимум из 24 высотных спутников, из которых всегда есть 4 спутника, видимые с Земли.

Они находятся на орбите на высоте 20 000 км, их период - 12 часов. GPS использует математический метод, похожий на триангуляцию, для оценки положения объектов, называемый трилатерация.

GPS не ограничивается поиском людей или транспортных средств, он также полезен для картографии, геодезии, геодезии, спасательных операций и занятий спортом, среди других важных приложений.

Космический телескоп Хаббла

Это искусственный спутник, который предлагает непревзойденные, невиданные ранее изображения Солнечной системы, звезд, галактик и далекой Вселенной без атмосферы Земли или светового загрязнения, блокирующих или искажающих далекий свет.

Таким образом, его запуск в 1990 году стал самым заметным достижением астрономии за последнее время. Огромный 11-тонный цилиндр Хаббла находится на высоте 340 миль (548 км), совершая круговое движение вокруг Земли с периодом 96 минут.

Ожидается, что он будет отключен между 2020 и 2025 годами и заменен космическим телескопом Джеймса Уэбба.

Международная космическая станция

Известная как МКС (Международная космическая станция), это орбитальная исследовательская лаборатория, управляемая пятью космическими агентствами по всему миру. Пока это самый большой из существующих искусственных спутников.

В отличие от остальных спутников, на космической станции находятся люди. Помимо фиксированного экипажа из минимум двух космонавтов, станцию посещали даже туристы.

Назначение станции в первую очередь научное. Он имеет 4 лаборатории, в которых исследуются эффекты невесомости и проводятся астрономические, космологические и климатические наблюдения, а также различные эксперименты в области биологии, химии и влияния излучения на различные системы.

Чандра

Этот искусственный спутник представляет собой обсерваторию для обнаружения рентгеновских лучей, которые поглощаются атмосферой Земли и поэтому не могут быть изучены с поверхности. НАСА вывело его на орбиту в 1999 году с помощью космического корабля "Колумбия".

Спутники связи Иридиум

Они составляют сеть из 66 спутников на высоте 780 км на орбитах типа LEO с периодом действия 100 минут. Они были разработаны телефонной компанией Motorola для обеспечения телефонной связи в труднодоступных местах. Однако это очень дорогая услуга.

Спутниковая система Галилео

Это система определения местоположения, разработанная Европейским Союзом, эквивалентная GPS и предназначенная для гражданского использования. В настоящее время у него работает 22 спутника, но он все еще строится. Он способен определять местонахождение человека или объекта с точностью до 1 метра в открытой версии и взаимодействует со спутниками системы GPS.

Серия Landsat

Это спутники, специально разработанные для наблюдения за земной поверхностью. Они начали свою работу в 1972 году. Среди прочего, они отвечают за картографирование местности, запись информации о движении льда на полюсах и протяженности лесов, а также за ведение горных работ.

Система Глонасс

Это система геолокации Российской Федерации, эквивалентная GPS и сети Galileo.

Наблюдение за искусственными спутниками

Искусственные спутники могут быть замечены с Земли любителями, поскольку они отражают солнечный свет и могут рассматриваться как точки света, даже если Солнце село.

Чтобы найти их, рекомендуется установить на телефон одно из приложений спутникового поиска или обратиться к интернет-сайтам, отслеживающим спутники.

Например, космический телескоп Хаббла можно увидеть невооруженным глазом, а еще лучше - в хороший бинокль, если вы знаете, куда смотреть.

Подготовка к наблюдению за спутниками такая же, как и к наблюдению за метеорным дождем. Наилучшие результаты получаются очень темными и ясными ночами, без облаков и без луны, или с луной низко над горизонтом. Чем дальше от светового загрязнения, тем лучше, вам также придется иметь при себе теплую одежду и горячие напитки.

Спутниковая связь — вид радиосвязи, основанный на использовании искусственных спутников Земли (ИСЗ) в качестве ретрансляторов.

p, blockquote 1,0,0,0,0 -->

p, blockquote 2,0,0,0,0 -->

В 1957 году запустили первый спутник. Там стояли два передатчика на разных частотах, который передавал сигнал “БИП, БИП, БИП”. Это был первый, официальный, известный спутник, который преодолел первую космическую скорость ( 7 844 м/с на высоте 100 км ) и вышел на орбиту сделав несколько витков. Это был шар в котором был аккумулятор, два передатчика и антенна.

p, blockquote 3,0,0,0,0 -->

p, blockquote 4,0,0,0,0 -->

Потом оказалось, что с помощью спутника можно осуществлять связь, причем связь практически не ограниченная по расстоянию в пределах Земного шара. Низкочастотные радиоволны не проходят за ионосферу, они отражаются либо огибают Земной шар.

p, blockquote 5,0,0,0,0 -->

Когда переходим в УКВ диапазон часть энергии начинает проходить через ионосферу и уходить в космическое пространство. Это ограничивает связь по дальности на Земном шаре, но позволяет связываться с космическими аппаратами, а космический аппарат может связаться с наземными станциями, которые могут передавать ему сигнал и принимать сигнал со спутника. В зависимости от системы связи, земная станция может быть стационарной и подвижной, что не ограничивает использование спутниковой связи никаким образом.

p, blockquote 6,0,0,0,0 -->

p, blockquote 7,0,0,0,0 -->

Спутники используются, как ретрансляторы. Использование ИСЗ позволяет резко увеличить дальность радиосвязи, так как ретранслятор располагается высоко над Землей, от сотен до десятков тысяч км.

p, blockquote 8,0,0,0,0 -->

Спутники связи эта та часть космической программы человечества от которой есть польза для всех людей. Вот Гагарин слетал в космос и этим было доказано, что человека можно запустить в космос и он вернется живым и с непомутненным рассудком. Хотя, когда отправили второго космонавта Титова, это на уровне слухов, у него с головой было не все в порядке, Гагарин сделал один виток, может быть испугаться не успел, а Титов 17 витков. Но теперь люди сидят год на космической станции и все нормально.

p, blockquote 9,0,0,0,0 -->

Преимущества спутниковой связи

Большая пропускная способность, по сравнению с радиорелейной линией примерно тоже самое. Можно использовать широкий частотный диапазон.
Существуют спутники связи, которые обладают глобальным действием.
Высокое качество связи.

История развития спутниковой связи

23 апреля 1965 года в СССР был успешно запущен на высокую эллиптическую орбиту спутник Молния-1. На марке виден Земной шар, Советский Союз, а спутник находится на эллиптической орбите.

p, blockquote 10,0,0,0,0 -->

p, blockquote 11,0,0,0,0 -->

В одном из фокусов орбиты стоит Земной шар, спутники вращаются по орбите, спутник выходит, устанавливает связь с антенной и пока он находится в зоне видимости, связь спутник поддерживает, потом спутник уходит из зоны видимости и в это время в зону видимости должен войти второй спутник. На высокой эллиптической орбите должны быть минимум 3 аппарата, чтобы связь была непрерывной.

p, blockquote 12,0,0,0,0 -->

В рамках международной программы Intelsat первый коммерческий спутник связи Early Bird (Ранняя Пташка), произведенный корпорацией COMSAT был запущен 6 апреля 1965 года.

p, blockquote 13,0,1,0,0 -->

Основные разновидности ИСЗ

Конфигурация системы спутниковой связи зависит от типа ИСЗ, вида связи и параметров земной станции. Три основных разновидности ИСЗ в зависимости от орбиты спутника:

ИСЗ на высокой эллиптической орбите (ВЭО)
ИСЗ на геостационарной орбите (ГСО)
ИСЗ на низковысотной орбите (НВО)

p, blockquote 15,0,0,0,0 -->

ИСЗ на высокой эллиптической орбите (ВЭО)

Спутники типа “Молния” с периодом обращения 12 часов, наклоном орбиты 63 градуса, высотой апогея над северным полушарием 40 тыс. км.

p, blockquote 16,0,0,0,0 -->

У спутника переменная скорость. В области апогея скорость движения ИСЗ замедляется и обеспечивает радиовидимость 6…8 часов. 6…8 часов это то время, когда один спутник находится в рабочей зоне. Для обеспечения непрерывной связи на одной орбите необходимо расположить не менее трех спутников, а лучше 4.

p, blockquote 17,0,0,0,0 -->

Преимущества ИСЗ с ВСО большой размер зоны обслуживания.

p, blockquote 18,0,0,0,0 -->

Недостатки: необходимость слежения земных антенн за спутниками и переориентация этих антенн с заходящего спутника на восходящий.

p, blockquote 19,0,0,0,0 -->

ИСЗ на геостационарной орбите (ГСО)

ГСО это орбита, на которую если поставить спутник, он будет вращаться вместе с Землей с одинаковой скоростью. Он находится неподвижно относительно земной точки.

p, blockquote 20,0,0,0,0 -->

ГСО — круговая орбита с периодом обращения ИСЗ 24 часа, расположенная в плоскости экватора на высоте 35 875 км с поверхности Земли. Орбита синхронно вращается с вращением Земли, поэтому спутник находится неподвижно относительно земной поверхности.

p, blockquote 21,0,0,0,0 -->

Зона обслуживания одного спутника достигает треть поверхности Земли, т.е. 3-х спутников достаточно для глобальной сети.
Антенны земных станций не требуют систем слежения. Антенна неподвижна.
Не требуют сложной наземной аппаратуры, могут обеспечивать большое покрытие, но в зонах не сильно приближенных к полюсам Земли.

В северных широтах спутник виден под малыми углами к горизонту и совсем не виден в приполярных областях.

Но если в южном полушарии это не так страшно, то в северном Скандинавские страны, Россия, Канада находятся достаточно близко к полюсу и там геостационарные спутники связь не обеспечивают.

Ограничение на количество спутников на ГСО.
Достаточно высокая цена самого аппарата ИСЗ и его запуска.

ИСЗ на низковысотной орбите (НВО)

В настоящее время развиваются спутники связи на низковысотной орбите.Спутники запускаются на круговые орбиты, бывает полярная орбита, которая проходит через нулевой меридиан, плоскость которых наклонена к плоскости экватора. Наличие большого количества спутников на разных орбитах, позволяет добиться высокого покрытия поверхности Земли этими системами связи.

p, blockquote 25,0,0,0,0 -->

Высота орбиты 200…2000 км над поверхностью Земли. Спутники относятся к легкому классу и для их запуска можно использовать недорогой носитель, либо дорогой носитель, который сразу забросит на орбиту два десятка аппаратов, которые потом выводятся в нужной точке. Покрытие может быть глобальное.

p, blockquote 26,1,0,0,0 -->

Главный недостаток ИСЗ на НВО, спутники вращаются по круговым низким орбитам на достаточно высокой линейной скорости и от момента, когда спутник выходит в ту зону, где находится абонент, до того момента, когда он из этой зоны выходит, может проходить 20-40 минут. Для того, чтобы обеспечить хорошее покрытие, нужно много спутников.

p, blockquote 27,0,0,0,0 -->

Проблема космического мусора

Еще одна проблема, так называемая проблема космического мусора или засорения околоземного пространства остатками различных летательных аппаратов. Когда, какой-либо космический аппарат выводится из эксплуатации, в доброе старое время его просто отключали, на спутниках “Молния” с помощью пиропатронов отстреливали солнечные панели и спутник терял питание, превращался в кусок железа, который вращается на орбите, а потом с этой орбиты сходит. Когда спутников было 1, 2, 3 это было не страшно для человечества, хотя были печальные случаи, когда довольно массивные космические аппараты, не целиком сгорали при сходе с орбиты и падали туда, куда не надо.

p, blockquote 28,0,0,0,0 -->

Спутники, как правило имеют систему питания основанную на солнечных батареях. Но в свое время проводили эксперименты над спутниками у которых в качестве источника питания использовался генератор, который работает на основе ядерной реакции, т.е. распад какого-нибудь урана или плутония, при этом выделяется энергия, которая преобразуется в электричество, грубо говоря спутник с ядерным реактором. И такой советский спутник, содержащий радиоактивные материалы, приземлился на территорию Канады и был грандиозный скандал международный.

p, blockquote 29,0,0,0,0 -->

Сейчас в космосе вращается несколько десятков тысяч старых спутников и их остатков. Поэтому построение систем в которых используется большое количество спутников, оно чревато плачевными последствиями.

p, blockquote 30,0,0,0,0 -->

Также, наличие большого количества спутников на орбите приводит к тому, что эти спутники, создают световой экран, который мешает наблюдению ученым, через астрономические телескопы с Земли. Эти спутники создают яркие точки, которые все время находятся перед объективами телескопов.

p, blockquote 31,0,0,0,0 -->

Диапазоны частот спутниковой связи

Диапазоны частот, которые отведены в соответствии с Международным Союзом Электросвязи ITU, которые регламентировали использование частот. Частоты, как правило высокие СВЧ, потому что более низкие частоты хуже себя ведут, отражаются от ионосферы, а ВЧ хорошо затухают в этой атмосфере.

p, blockquote 32,0,0,0,0 -->

p, blockquote 33,0,0,0,0 -->

Чем выше подниматься по диапазону частот, тем хуже работает электроника.

p, blockquote 34,0,0,0,0 -->

Спутниковые службы

В зависимости от назначения систем спутниковой связи и типа земной станции различают следующие службы:

Фиксированная спутниковая служба для связи между станциями, расположенными в определенных фиксированных пунктах и для распределения телевизионных программ.
Подвижная спутниковая служба для связи между подвижными станциями,размещенными на транспортных средствах или у абонентов.
Радиовещательная спутниковая служба для передачи радио и телевизионных программ непосредственно на терминалы абонентов.

Фиксированные спутниковые службы

Начиналось всё с фиксированных спутниковых служб. Это связь с использованием космического ретранслятора между наземными станциями. И основное назначение это обеспечение связи в первую очередь для государственных нужд.

p, blockquote 36,0,0,0,0 -->

Фиксированные спутниковые службы начали использоваться государством для центральных телевизионных программ на удаленную территорию советского союза. Первоначально ФСС развивалась в направлении создания систем магистральной связи с применением наземных станций с диаметром антенн порядка 12…30 метров.

p, blockquote 37,0,0,0,0 -->

Фиксированная антенна с приемной станцией “Орбита”, диаметр антенны 12 метров. Система “Орбита” использовала спутники на высокоэллиптической орбите, это были первоначально спутники серии “Молния”. На эллипсе надо иметь 3 аппарата, как правило 4, чтобы обеспечить постоянную связь.

p, blockquote 38,0,0,0,0 -->

p, blockquote 39,0,0,1,0 -->

В настоящее время для фиксированных служб функционирует около 50 систем ФСС. Например, “Молния 3”.

p, blockquote 40,0,0,0,0 -->

p, blockquote 41,0,0,0,0 -->

На высокоэллиптической орбите используются аппараты, которые называются “Меридиан”. Спутники “Радуга” и “Горизонт” это геостационарные аппараты, которые обеспечивают фиксированную спутниковую связь. Intelsat это международная система.

p, blockquote 42,0,0,0,0 -->

Подвижные спутниковые службы

Особенностью большинства систем ПСС является маленький размер антенны терминала, что затрудняет прием сигнала. Востребованы на морском транспорте. Для того, чтобы мощность сигнала достигающего приемника была достаточной, применяют одно из двух решений:

Спутники располагаются на геостационарной орбите поскольку эта орбита удалена от Земли на расстояние 35 786 км, на спутник требуется установить мощный передатчик. Этот подход используется системой Inmarsat. Подвижная спутниковая связь начала свое существование с международного договора по созданию системы Inmarsat, которая была первоначально ориентирована на обеспечение связи с морскими судами.
Множество спутников располагается на наклонных или полярных НВО. Inmarsat и прочие системы основанные на спутниках, как правило предназначены для оказания коллективных услуг. А когда создается система на низковысотных спутниках, то можно за счет более низкой стоимость аппарата и низкой стоимости запуска, построить глобальную сеть, которая позволит Вам связываться из любой точки земного шара, через спутниковую сеть. Первой такой системой, была система Iridium.

Спутниковая система Iridium

Система базируется на 66 лёгких (масса 689 кг) ИСЗ, равномерно размещенных на 6 НВО. Орбиты через 60 градусов охватывают всю Землю. И на каждой орбите находится по 11 спутников, которые по очереди выходят в зону в которой находится абонент. Высота основной орбиты 780 км.

p, blockquote 44,0,0,0,0 -->

p, blockquote 45,0,0,0,0 -->

Орбиты разнесены на 30 или 60 градусов и каждый спутник поддерживает связь с тем спутником, который идет впереди и с тем, который идет сзади по его орбите. И с двумя спутниками, которые находятся на двух соседних орбитах. Такая связь позволяет передать сигнал с любого спутника на любой. Одновременно обеспечивается до 11 000 телефонных соединений.

p, blockquote 46,0,0,0,0 -->

p, blockquote 47,0,0,0,0 -->

Если у Вас есть терминал Iridium, где бы вы не находились, вы можете установить связь. Если вы находитесь в обычной зоне, где мобильная связь работает, то ваш терминал перейдет в режим работы мобильной связи и не нужно будет нагружать спутник. Кроме основных спутников, есть 4 резервных, которые находятся на резервной орбите.

p, blockquote 48,0,0,0,0 -->

Радиовещательная спутниковая служба

РСС реализует персонализацию, передачу радио и телепрограмм непосредственно на индивидуальные приемники абонентам.

p, blockquote 49,0,0,0,0 -->

Прохождение радиосигналов в спутниковых линиях связи имеют особенности. Запаздывание сигнала в спутниковой связи с искусственных определена временем прохождения сигнала Земля — спутник — Земля. tз=2Н/С₀

где Н — расстояние от спутника до поверхности Земли;
С₀ — скорость распространения электромагнитной энергии.

Для геостационарной орбиты tз =238 мс.

p, blockquote 51,0,0,0,0 --> p, blockquote 52,0,0,0,1 -->

Также имеется эффект Доплера это изменение частоты сигнала, который мы принимаем от движущегося источника или изменение частоты при движении. Для скоростей много меньше скорости света Vr/с˂˂1 изменение частоты составляет Δf=±f₀(Vr/с) для спутников “Молния” не более 6 кГц. Это нужно учитывать при настройке. В принципе для широкополосной системы 6 кГц может ничего не значит, а для стандартного телефонного канала в декаметровом диапазоне, если будет смещение 6 кГц, то вы вывалились бы из него, потому что там вся полоса пропускания может быть 3 кГц.

Читайте также: