Orbite oko zemlje. Geostacionarna orbita

2007. godine

glavna ideja

Ova stranica posvećena je pitanjima nadzora umjetni zemljini sateliti(Unaprijediti satelit ). Od početka svemirskog doba (4. listopada 1957. lansiran je prvi satelit, Sputnik 1), čovječanstvo je stvorilo ogroman broj satelita koji kruže oko Zemlje u svim vrstama orbita. Trenutačno broj takvih umjetnih objekata prelazi desetke tisuća. To je uglavnom "svemirski otpad" - fragmenti umjetnih satelita, istrošeni raketni stupnjevi itd. Samo mali dio njih su operativni sateliti.
Među njima su istraživački i meteorološki sateliti, komunikacijski i telekomunikacijski sateliti te vojni sateliti. Prostor oko Zemlje njima je “naseljen” od visina od 200-300 km pa sve do 40.000 km. Samo neki od njih dostupni su za promatranje jeftinom optikom (dalekozori, teleskopi, amaterski teleskopi).

Stvaranjem ove stranice, autori su si postavili cilj skupiti informacije o metodama promatranja i snimanja satelita, pokazati kako izračunati uvjete za njihov let iznad određenog područja, te opisati praktične aspekte problematike promatranja i snimanja. Stranica predstavlja uglavnom izvorni materijal dobiven tijekom promatranja sudionika sekcije "Kozmonautika" astronomskog kluba "hν" u Planetariju u Minsku (Minsk, Bjelorusija).

Pa ipak, odgovarajući na glavno pitanje - "Zašto?", mora se reći sljedeće. Među raznim hobijima za koje su ljudi zainteresirani su astronomija i astronautika. Tisuće entuzijasta astronomije promatraju planete, maglice, galaksije, promjenjive zvijezde, meteore i druge astronomske objekte, fotografiraju ih i održavaju vlastite konferencije i "majstorske tečajeve". Za što? To je samo hobi, jedan od mnogih. Način da pobjegnete od svakodnevnih problema. Čak i kada amateri rade posao od znanstvenog značaja, oni ostaju amateri koji to rade iz vlastitog zadovoljstva. Astronomija i astronautika su vrlo “tehnološki” hobiji u kojima možete primijeniti svoje znanje iz optike, elektronike, fizike i drugih prirodnih znanstvenih disciplina. Ili ga ne morate koristiti - i samo uživajte u kontemplaciji. Slična je situacija i sa satelitima. Posebno je zanimljivo pratiti one satelite, informacije o kojima se ne distribuiraju u otvorenim izvorima - to su vojni obavještajni sateliti različitih zemalja. U svakom slučaju, satelitsko promatranje je lova. Često možemo unaprijed naznačiti gdje i kada će se satelit pojaviti, ali ne uvijek. A kako će se “ponašati” još je teže predvidjeti.

Hvala:

Opisane metode nastale su na temelju promatranja i istraživanja u kojima su sudjelovali članovi astronomskog kluba "hν" Planetarija iz Minska (Bjelorusija):

• Bozbey Maxim.
• Dremin Genadij.
• Kenko Zoya.
• Mečinski Vitalij.

Veliku pomoć pružili su i članovi astronomskog kluba „hν“. Lebedeva Tatjana, Povalishev Vladimir I Tkačenko Aleksej. Posebno hvala Aleksandar Lapšin(Rusija), profi-s (Ukrajina), Daniil Shestakov (Rusija) i Anatoly Grigoriev (Rusija) za pomoć u izradi paragrafa II §1 “Satelitska fotometrija”, Poglavlje 2 i Poglavlje 5, i Elena (Tau, Rusija) također za konzultacije i pisanje nekoliko proračunskih programa. Autori također zahvaljuju Mikhail Abgaryan (Bjelorusija), Yuri Goryachko (Bjelorusija), Anatoly Grigoriev (Rusija), Leonid Elenin (Rusija), Victor Zhuk (Bjelorusija), Igor Molotov (Rusija), Konstantin Morozov (Bjelorusija), Sergej Plaksa (Ukrajina), Ivan Prokopyuk (Bjelorusija) za pružanje ilustracija za neke dijelove stranice.

Dio materijala primljen je tijekom provedbe narudžbe Jedinstvenog poduzeća za geografske informacijske sustave Nacionalne akademije znanosti Bjelorusije. Prezentacija materijala provodi se na nekomercijalnoj osnovi kako bi se popularizirao bjeloruski svemirski program među djecom i mladima.

Vitaly Mechinsky, kustos sekcije "Kozmonautika" astrokluba "hν".

Novosti sa stranice:

• 01.09.2013.: Značajno ažuriran podstavak 2 "Fotometrija satelita tijekom leta" p. II §1 - ​​dodan je podatak o dvije metode fotometrije satelitskih staza (metoda fotometrijskog profila staze i metoda izofotske fotometrije).
• 01.09.2013.: Ažurirana je potklauzula II §1 - ​​dodane su informacije o radu s programom "Highecl" za izračun vjerojatnih izbijanja iz GSS-a.
• 30.01.2013.: Ažurirano "Poglavlje 3"-- dodane informacije o radu s programom "MagVision" za izračunavanje pada penetracije od osvjetljenja od Sunca i Mjeseca.
• 22.01.2013.: Ažurirano Poglavlje 2. Dodana animacija satelita koji se kreću nebom u jednoj minuti.
• 19.01.2013.: ažuriran pododjeljak "Vizualna promatranja satelita" stavak 1. "Određivanje satelitskih orbita" §1 poglavlja 5. Dodane informacije o grijaćim uređajima za elektroniku i optiku za zaštitu od rose, mraza i prekomjernog hlađenja.
• 19.01.2013: Dodano u "Poglavlje 3" informacije o padu prodora pri osvjetljavanju Mjeseca i sumraka.
• 01/09/2013: Dodana podtočka "Bljeskovi lidarskog satelita "CALIPSO" podtočka “Fotografija bljeskova”, paragraf II “Fotometrija satelita” §1 poglavlja 5. Opisani su podaci o značajkama promatranja bljeskova s ​​laserskog lidara satelita “CALIPSO” i proces pripreme za njih.
• 11/05/2012: Ažuriran je uvodni dio §2 poglavlja 5. Dodane su informacije o potrebnoj minimalnoj opremi za radio motrenje satelita i dijagram LED indikatora razine signala koji se koristi za postavljanje osigurana je sigurna razina ulaznog audio signala za diktafon.
• 11/04/2012: Potklauzula ažurirana "Vizualna promatranja satelita" paragraf 1 "Određivanje orbita satelita" §1 poglavlja 5. Dodane su informacije o zvjezdanom atlasu Brno, kao io crvenom filmu na LCD zaslonima elektroničkih uređaja koji se koriste u promatranjima.
• 14.04.2012.: Ažurirana podstavka podtočke "Foto/video snimanje satelita" klauzula 1 "Određivanje orbita satelita" §1 poglavlja 5. Dodane informacije o radu s programom "SatIR" za identifikaciju satelita na fotografijama sa širokim vidnim poljem, kao i određivanje koordinatnih krajeva satelitskih staza na njima.
• 13.4.2012.: ažuriran pododjeljak "Astrometrija satelita na primljenim slikama: fotografije i video zapisi" pododjeljak "Foto/video snimanje satelita" klauzula 1 "Određivanje satelitskih orbita" §1 poglavlja 5. Dodane informacije o radu s programom "AstroTortilla" za određivanje koordinata središta vidnog polja slika područja zvjezdano nebo.
• 20.3.2012.: Ažurirana je potklauzula 2 „Klasifikacija satelitskih orbita prema velikoj poluosi” §1 poglavlja 2. Dodane su informacije o veličini GSS pomaka i orbitalnih poremećaja.
• 03/02/2012: Dodana podtočka "Promatranje i snimanje ispaljivanja raketa na daljinu" podstavak „Foto/video snimanje satelita“, stavak I. „Određivanje satelitskih orbita“ §1 poglavlja 5. Opisane su informacije o značajkama promatranja leta lansirnih vozila na stupnju lansiranja.
• "Pretvaranje astrometrije u IOD format" pododjeljak "Foto/video snimanje satelita" paragraf I "Određivanje satelitskih orbita" §1 poglavlja 5. Dodan opis rada s programom "ObsEntry for Window" za pretvaranje satelitske astrometrije u IOD format - analog "OBSENTRY" programa, ali za OS Windows.
• 25.02.2012.: Ažurirana potklauzula "Sunčevo-sinkrone orbite" paragraf 1 "Klasifikacija orbita satelita prema inklinaciji" §1 poglavlja 2. Dodane informacije o izračunavanju vrijednosti inklinacije i ss satelitske orbite sinkrone Sunce ovisno o ekscentričnosti i velikoj poluosi orbite.
• 21.09.2011.: Ažurirana je potklauzula 2 „Fotometrija satelita tijekom leta”, klauzula II „Fotometrija satelita” §1 poglavlja 5. Dodane su informacije o sinodičkom učinku, koji iskrivljuje određivanje perioda rotacije satelita .
• 14.09.2011.: Ažurirana potklauzula "Izračun orbitalnih (keplerovskih) elemenata orbite satelita na temelju astrometrijskih podataka. Jedan prelet" podtočka "Foto/video snimanje satelita" paragrafa I "Određivanje orbita satelita" §1 poglavlja 5. Dodane su informacije o programu "SatID" za identifikaciju satelita (koristeći primljeni TLE) među satelitima treće strane TLE baza podataka, te metoda za identifikaciju satelita u programu "Heavensat" na temelju promatranog preleta u blizini zvijezde vodilje.
• 09.12.2011.: Ažurirana podtočka "Izračun orbitalnih (keplerovskih) elemenata orbite satelita na temelju astrometrijskih podataka. Nekoliko letova" podtočke "Foto/video snimanje satelita" stavka I. "Određivanje orbita satelita" §1 poglavlja 5. Dodane informacije o programu ponovnog izračuna TLE -elementi za traženi datum.
• 09/12/2011: Dodana podtočka "Ulazak umjetnog satelita u Zemljinu atmosferu" pododjeljak “Foto/video snimanje satelita”, paragraf I “Određivanje orbita satelita” §1 poglavlja 5. Informacije o radu s programom “SatEvo” za predviđanje datuma ulaska satelita u guste slojeve Zemljine atmosfere su opisao.
• "Bljeskovi geostacionarnih satelita" podtočka “Fotografija bljeskova”, str II “Fotometrija satelita” §1 poglavlja 5. Dodane su informacije o razdoblju vidljivosti GSS bljeskova.
• 09/08/2011: Potklauzula ažurirana "Promjena svjetline satelita tijekom leta" podstavak 2 "Fotometrija satelita tijekom leta" stavak II "Fotometrija satelita" §1 poglavlja 5. Dodane informacije o obliku fazne funkcije za nekoliko primjera reflektirajućih površina.
• podstavak 1 "Promatranje umjetnih satelitskih baklji" stavak II "Satelitska fotometrija" §1 poglavlja 5. Dodane informacije o neravnomjernosti vremenske skale duž slike satelitske staze na matrici fotodetektora.
• 07.09.2011.: Ažurirana potklauzula "Fotometrija satelita tijekom leta" p. II "Fotometrija satelita" §1 poglavlja 5. Dodan primjer složene svjetlosne krivulje satelita "NanoSail-D" (SCN:37361) i modeliranje njegove rotacije.
• "Bljeskovi satelita u niskoj orbiti" podstavak 1 "Promatranje baklji umjetnih satelita" stavak II "Satelitska fotometrija" §1 poglavlja 5. Dodana je fotografija i fotometrijski profil baklje s LEO satelita "METEOR 1-29".
• 09/06/2011: Potklauzula ažurirana "Geostacionarne i geosinkrone orbite satelita"§1 poglavlja 2. Dodane informacije o klasifikaciji geostacionarnih satelita, informacije o obliku GSS putanja.
• 09/06/2011: Potklauzula ažurirana "Snimanje prolaza satelita: oprema za snimanje. Optički elementi" podtočka “Foto/video snimanje satelita”, paragraf I. “Određivanje orbita satelita” §1 poglavlja 5. Dodane poveznice na recenzije domaćih objektiva koji se primjenjuju na snimanje satelita.
• 09/06/2011: Potklauzula ažurirana "fazni kut" Odjeljak II "Satelitska fotometrija" §1 Poglavlje 5. Dodana animacija promjena faze satelita ovisno o faznom kutu.
• 13.07.2011: Završeno dovršenje svih poglavlja i odjeljaka stranice.
• 07/09/2011: Završeno pisanje uvodnog dijela II "Satelitska fotometrija"§1 Poglavlje 5.
• 05.07.2011.: Završeno pisanje uvodnog dijela §2 "Radijska promatranja satelita" poglavlja 5.
• 07/04/2011: Potklauzula ažurirana "Obrada opažanja" str. I "Prijem satelitske telemetrije" §2 poglavlja 5.
• 07/04/2011: Završeno pisanje Odjeljak II "Dobivanje slika oblaka"§2 Poglavlje 5.
• 02.07.2011.: Završeno pisanje Odjeljak I "Prijem satelitske telemetrije"§2 Poglavlje 5.
• 01.07.2011.: Završeno pisanje podstavka "Foto/video snimanje satelita" klauzula I §1 poglavlje 5.
• 25.06.2011.: Završeno pisanje Prijave.
• 25.06.2011.: Završeno pisanje uvodnog dijela u Poglavlje 5: “Što i kako promatrati?”
• 25.06.2011.: Završeno pisanje uvodnog dijela §1 "Optička promatranja" poglavlja 5.
• 25.06.2011.: Završeno pisanje uvodnog dijela I. odlomka "Određivanje satelitskih orbita"§1 Poglavlje 5.
• 25.06.2011.: Završeno pisanje poglavlja 4: "O vremenu".
• 25.01.2011.: Završeno pisanje poglavlja 2: "Kakve sve orbite i sateliti postoje?".
• 01/07/2011: Završeno pisanje poglavlja 3: "Priprema za promatranje".
• 01/07/2011: Završeno pisanje poglavlja 1: "Kako se sateliti kreću?"

Što je geostacionarna orbita? To je kružno polje, koje se nalazi iznad Zemljinog ekvatora, po kojem umjetni satelit rotira kutnom brzinom rotacije planeta oko svoje osi. Ne mijenja smjer u horizontalnom koordinatnom sustavu, već nepomično visi na nebu. Geostacionarna Zemljina orbita (GEO) vrsta je geosinkronog polja i koristi se za postavljanje komunikacijskih, televizijskih i drugih satelita.

Ideja korištenja umjetnih uređaja

Sam koncept geostacionarne orbite pokrenuo je ruski izumitelj K. E. Ciolkovski. U svojim radovima predložio je naseljavanje svemira uz pomoć orbitalnih stanica. Strani znanstvenici također su opisali rad kozmičkih polja, na primjer, G. Oberth. Čovjek koji je razvio koncept korištenja orbite za komunikaciju je Arthur C. Clarke. Godine 1945. objavio je članak u časopisu Wireless World, gdje je opisao prednosti geostacionarnog polja. Za njegov aktivan rad na ovom polju, u čast znanstvenika, orbita je dobila svoje drugo ime - "Clarkov pojas". Mnogi teoretičari razmišljali su o problemu implementacije kvalitetne komunikacije. Tako je Herman Potochnik 1928. izrazio ideju kako bi se mogli koristiti geostacionarni sateliti.

Karakteristike "Clark pojasa"

Da bi se orbita mogla nazvati geostacionarnom, mora zadovoljiti nekoliko parametara:

1. Geosinkronija. Ova karakteristika uključuje polje koje ima period koji odgovara periodu rotacije Zemlje. Geosinkroni satelit završi svoju orbitu oko planeta u zvjezdanom danu, što iznosi 23 sata, 56 minuta i 4 sekunde. Zemlji je potrebno isto vrijeme da izvrši jednu revoluciju u fiksnom prostoru.

2. Da bi se satelit zadržao na određenoj točki, geostacionarna orbita mora biti kružna, s nultim nagibom. Eliptično polje rezultirat će pomakom prema istoku ili zapadu, budući da se letjelica kreće drugačije u određenim točkama svoje orbite.

3. "Točka lebdenja" svemirskog mehanizma mora biti na ekvatoru.

4. Položaj satelita u geostacionarnoj orbiti treba biti takav da mali broj frekvencija namijenjenih komunikaciji ne dovodi do preklapanja frekvencija različitih uređaja tijekom prijema i prijenosa, kao i da se izbjegne njihova kolizija.

5. Dovoljna količina goriva za održavanje konstantnog položaja prostornog mehanizma.

Geostacionarna orbita satelita jedinstvena je po tome što samo kombinacijom njezinih parametara uređaj može ostati nepomičan. Još jedna značajka je mogućnost da se Zemlja vidi pod kutom od sedamnaest stupnjeva sa satelita koji se nalaze u svemirskom polju. Svaki uređaj zahvaća otprilike jednu trećinu orbitalne površine, tako da su tri mehanizma sposobna pokriti gotovo cijeli planet.

Umjetni sateliti

Zrakoplov se vrti oko Zemlje duž geocentrične putanje. Za lansiranje se koristi višestupanjska raketa. To je prostorni mehanizam koji se pokreće reaktivnom silom motora. Da bi se kretali po orbiti, umjetni Zemljini sateliti moraju imati početnu brzinu koja odgovara prvoj kozmičkoj brzini. Njihovi letovi odvijaju se na visini od najmanje nekoliko stotina kilometara. Razdoblje cirkulacije uređaja može biti nekoliko godina. Umjetni sateliti Zemlje mogu se lansirati s ploča drugih uređaja, na primjer, orbitalnih stanica i brodova. Dronovi imaju masu do dva tuceta tona i veličinu do nekoliko desetaka metara. Dvadeset i prvo stoljeće obilježilo je rođenje uređaja s ultra-lakom težinom - do nekoliko kilograma.

Mnoge zemlje i tvrtke lansirale su satelite. Prva umjetna naprava na svijetu stvorena je u SSSR-u i poletjela je u svemir 4. listopada 1957. godine. Nazvan je Sputnik 1. Godine 1958. Sjedinjene Države lansirale su drugu svemirsku letjelicu, Explorer 1. Prvi satelit kojeg je NASA lansirala 1964. godine nazvan je Syncom-3. Umjetni uređaji uglavnom su nepovratni, no ima i onih koji se djelomično ili u cijelosti vraćaju. Koriste se za provođenje znanstvenih istraživanja i rješavanje raznih problema. Dakle, postoje vojni, istraživački, navigacijski sateliti i drugi. Lansiraju se i uređaji koje su izradili zaposlenici sveučilišta ili radio amateri.

"stajalište"

Geostacionarni sateliti nalaze se na nadmorskoj visini od 35.786 kilometara. Ova visina daje orbitalni period koji odgovara periodu rotacije Zemlje u odnosu na zvijezde. Umjetno vozilo je nepomično, stoga se njegov položaj u geostacionarnoj orbiti naziva "stajalište". Lebdenje osigurava stalnu dugotrajnu komunikaciju, jednom usmjerena antena će uvijek biti usmjerena prema željenom satelitu.

Pokret

Sateliti se mogu prenijeti iz orbite niske visine u geostacionarnu orbitu pomoću geotransfernih polja. Potonji su eliptični put s točkom na niskoj visini i vrhom na visini koja je blizu geostacionarnog kruga. Satelit koji je postao neprikladnim za daljnji rad šalje se u orbitu za odlaganje koja se nalazi 200-300 kilometara iznad GEO.

Visina geostacionarne orbite

Satelit u određenom polju drži određenu udaljenost od Zemlje, niti se približava niti udaljava. Uvijek se nalazi iznad neke točke na ekvatoru. Na temelju ovih značajki proizlazi da se sile gravitacije i centrifugalne sile međusobno uravnotežuju. Visina geostacionarne orbite izračunava se metodama temeljenim na klasičnoj mehanici. U ovom slučaju uzima se u obzir korespondencija gravitacijskih i centrifugalnih sila. Vrijednost prve veličine određena je pomoću Newtonovog zakona univerzalne gravitacije. Pokazatelj centrifugalne sile izračunava se množenjem mase satelita s centripetalnim ubrzanjem. Rezultat jednakosti gravitacijske i inercijske mase je zaključak da orbitalna visina ne ovisi o masi satelita. Stoga je geostacionarna orbita određena samo visinom na kojoj je centrifugalna sila jednaka po veličini i suprotnog smjera gravitacijskoj sili koju stvara Zemljina gravitacija na danoj visini.

Iz formule za izračunavanje centripetalne akceleracije možete pronaći kutnu brzinu. Polumjer geostacionarne orbite također se određuje ovom formulom ili dijeljenjem geocentrične gravitacijske konstante s kvadratom kutne brzine. Dugačka je 42.164 kilometara. Uzimajući u obzir ekvatorijalni radijus Zemlje, dobivamo visinu jednaku 35.786 kilometara.

Izračuni se mogu izvesti na drugi način, temeljen na izjavi da orbitalna visina, koja je udaljenost od središta Zemlje, s kutnom brzinom satelita koja se podudara s rotacijskim gibanjem planeta, dovodi do linearnog brzina koja je jednaka prvoj kozmičkoj brzini na danoj visini.

Brzina u geostacionarnoj orbiti. Duljina

Ovaj se pokazatelj izračunava množenjem kutne brzine s polumjerom polja. Vrijednost brzine u orbiti je 3,07 kilometara u sekundi, što je znatno manje od prve kozmičke brzine na putu blizu Zemlje. Da bi se smanjila stopa, potrebno je povećati radijus orbite za više od šest puta. Duljina se izračunava množenjem broja Pi i polumjera, pomnoženog s dva. Duga je 264924 kilometara. Indikator se uzima u obzir pri izračunavanju "točaka stajanja" satelita.

Utjecaj sila

Parametri orbite po kojoj se vrti umjetni mehanizam mogu se mijenjati pod utjecajem gravitacijskih lunarno-solarnih poremećaja, nehomogenosti Zemljinog polja i eliptičnosti ekvatora. Transformacija polja se izražava u takvim pojavama kao što su:

1. Pomak satelita s položaja duž orbite prema točkama stabilne ravnoteže, koje se nazivaju potencijalne rupe u geostacionarnoj orbiti.
2. Kut nagiba polja prema ekvatoru raste određenom brzinom i doseže 15 stupnjeva jednom u 26 godina i 5 mjeseci.

Da bi satelit ostao na željenoj "točki stajanja", opremljen je pogonskim sustavom koji se uključuje nekoliko puta svakih 10-15 dana. Dakle, za kompenzaciju povećanja nagiba orbite koristi se korekcija "sjever-jug", a za kompenzaciju pomaka duž polja koristi se korekcija "zapad-istok". Za regulaciju putanje satelita tijekom cijelog životnog vijeka potrebna je velika zaliha goriva na brodu.

Propulzijski sustavi

Izbor uređaja određen je pojedinačnim tehničkim karakteristikama satelita. Na primjer, kemijski raketni motor ima opskrbu istisnim gorivom i radi na dugo uskladištenim komponentama visokog vrelišta (dianitrogen tetroksid, nesimetrični dimetilhidrazin). Plazma uređaji imaju znatno manji potisak, ali zbog dugotrajnog rada, koji se mjeri u desecima minuta za jedan pokret, mogu značajno smanjiti količinu goriva koja se troši na brodu. Ova vrsta pogonskog sustava koristi se za manevriranje satelita u drugu orbitalnu poziciju. Glavni ograničavajući faktor u vijeku trajanja uređaja je opskrba gorivom u geostacionarnoj orbiti.

Nedostaci umjetnog terena

Značajan nedostatak u interakciji s geostacionarnim satelitima su velika kašnjenja u širenju signala. Tako pri brzini svjetlosti od 300 tisuća kilometara u sekundi i orbitalnoj visini od 35.786 kilometara kretanje snopa Zemlja-satelit traje oko 0,12 sekundi, a snopa Zemlja-satelit-Zemlja 0,24 sekunde. Uzimajući u obzir kašnjenje signala u opremi i sustavima kabelskog prijenosa zemaljskih usluga, ukupno kašnjenje signala "izvor-satelit-prijemnik" doseže približno 2-4 sekunde. Ovaj pokazatelj značajno komplicira korištenje uređaja u orbiti za telefoniranje i onemogućuje korištenje satelitskih komunikacija u sustavima u stvarnom vremenu.

Još jedan nedostatak je nevidljivost geostacionarne orbite s velikih geografskih širina, što ometa komunikaciju i televizijsko emitiranje u područjima Arktika i Antarktika. U situacijama kada su sunce i odašiljački satelit u liniji s prijemnom antenom, dolazi do slabljenja, a ponekad i potpunog izostanka signala. U geostacionarnim orbitama, zbog nepomičnosti satelita, ova se pojava posebno jasno očituje.

Doppler efekt

Ovaj fenomen sastoji se od promjene frekvencija elektromagnetskih vibracija uz međusobno kretanje odašiljača i prijamnika. Fenomen se izražava promjenom udaljenosti tijekom vremena, kao i kretanjem umjetnih vozila u orbiti. Učinak se očituje kao niska stabilnost nosive frekvencije satelita, čemu se pridodaje hardverska nestabilnost frekvencije repetitora na brodu i zemaljske stanice, što otežava prijem signala. Dopplerov efekt doprinosi promjeni frekvencije modulirajućih vibracija, koje se ne mogu kontrolirati. U slučaju kada se u orbiti koriste komunikacijski sateliti i izravno televizijsko emitiranje, ova pojava je praktički eliminirana, odnosno nema promjena u razini signala na točki prijema.

Odnos prema geostacionarnim poljima u svijetu

Rađanje svemirske orbite stvorilo je mnoga pitanja i međunarodne pravne probleme. Brojni odbori, posebice Ujedinjeni narodi, uključeni su u njihovo rješavanje. Neke zemlje koje se nalaze na ekvatoru zahtijevale su proširenje svog suvereniteta na dio svemirskog polja iznad njihovog teritorija. Države su navele da je geostacionarna orbita fizički čimbenik koji je povezan s postojanjem planeta i ovisi o gravitacijskom polju Zemlje, pa su segmenti polja produžetak teritorija njihovih zemalja. Ali takve su tvrdnje odbačene, jer u svijetu postoji princip neprisvajanja svemira. Svi problemi vezani uz rad orbita i satelita rješavaju se na globalnoj razini.

SATELITPOVEZIVANJE

i problem

geostacionarni

orbite

Predgovor................................................. ....... …………………….……5

1. Orbita geostacionarnih satelita. Područja usluga………………..10

1.1. Orbite Zemljinih satelita .................. …………………………….10

1.2.Geostacionarna orbita.......................................………………………… … 13

1.3 Osvjetljenje geostacionarnog satelita; osvjetljenje zemaljskih antena
Stanice Sunce i Mjesec……………………………………………………….21

1.4.Kašnjenje radio signala i Dopplerov efekt……………..……27

1.5. Područja servisiranja geostacionarnih satelita………………………32 2. Osnovne radijske karakteristike komunikacijskih sustava s geostacionarnim satelitima………………………………………………………….38

2.1. Radiokomunikacijske usluge korištenjem satelita u geostacionarnoj orbiti………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

2.2 Glavne karakteristike geostacionarnih satelita i komunikacijskih sustava

na njihovoj osnovi……………………………….…………………...…....…..42

2.4.O trendovima u razvoju geostacionarne orbite, planovima za stvaranje novih komunikacijskih sustava s geostacionarnim satelitima.................................. ........... 65

3. Proračun međusobnih smetnji između stacionarnih satelita…………….70

3.1 Određivanje potrebnih zaštitnih omjera signal-smetnja

na ulazu prijemnih uređaja……………………………………………………70

3.2 Utjecaj smetnji na analogne FM signale……..…72 Utjecaj smetnji pri prijenosu signala u diskretnom obliku….....

3.3. Izračun omjera signala i šuma na ulazu prijemnih uređaja…………………………………………………………………………………94

3.4. Standardi za dopuštene razine smetnji……………………………..99

3.5. Standardi za dopuštene razine smetnji…………………………………107

4. Pokazatelji učinkovitosti korištenja geostacionarne orbite.................................................. ............. ..................................... ................... ....................112

4.1 Mogući pristupi razvoju pokazatelja………………….112

4.2. Pokazatelj učinkovitosti korištenja GO……………........Tehnički čimbenici koji utječu na učinkovitost korištenja GO…………………………………………… ……………… …………………..124

5.1. Parametri antene koji određuju učinkovitost korištenja GO………………………………………………………..….……124

5.2. Tehnički čimbenici koji utječu na učinkovitost korištenja GO, koji se odnose na metode prijenosa signala i regulaciju.....134

5.3.Analiza homogenosti satelitskih komunikacijskih sustava…………….143

6. Procjena kapaciteta geostacionarne orbite…………………………...154

6.1. Procjena orbitalnog kapaciteta na temelju stvarnih premisa..........154

6.2. Ocjena maksimalne propusne moći civilne obrane…………….....161

7. Međunarodni propisi o korištenju geostacionarne orbite……………………………….................................. ....... ........................…..169

7.1. Opće odredbe za korištenje GO…………….…………169

7.2 Trenutačni postupak za koordinaciju novih sustava koji koriste geostacionarne satelite……………………………….………176

8.Planirano korištenje frekvencijskih pojasa dodijeljenih satelitskoj radiodifuznoj službi…………………………….…..………181

8.1 Usvojeni planovi za uslugu satelitskog emitiranja
VAKR-77 i RAKR-83………………………………………………………...181

8.2. Kriteriji za međuregionalno kombiniranje i odluke RAKR-83………………………………………………………………………………..196

8.3. Problemi planiranja programskih opskrbnih vodova u Roines 1 i 3…………………………………………………………………………………………. ..201

8.4 Problemi u provedbi planova usluga satelitskog emitiranja u pojasu od 12 GHz ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

9. Moguće metode za osiguranje zajamčenog pristupa geostacionarnoj orbiti i odluke VAKR ORB 1985…………………..207

9.1.Zadaci VAKR ORB 1985 i pripremni rad u

ICKR ………………………………………………………………………………….....207

9.2. Odluke WARC ORB-a iz 1985. u vezi s uvođenjem planiranja satelitskih usluga.................................. ................. ..215

9.3.O korištenju generaliziranih parametara pri planiranju FSS-a…………………………………………………………………………………………….. ..222

9.4.O izradi primjera FSS plana................................................232

Zaključak................................................. ................................................. .242

Bibliografija................................................. .................................245

PREDGOVOR

Sredinu 20. stoljeća obilježili su uspjesi raketne i svemirske tehnike. Ruski znanstvenik odigrao je izuzetnu ulogu u stvaranju znanstvenih temelja za te uspjehe.

Od lansiranja prvog umjetnog satelita Zemlje (AES) u SSSR-u 1957. godine, pojavila se praktična mogućnost stvaranja komunikacijskih sustava s repetitorom (pasivnim ili aktivnim) koji se nalazi na satelitu. Učinkovitost takvog postavljanja repetitora već je bila očigledna u to vrijeme, budući da su linije za komunikaciju radio-relejnih linija s relejnim stanicama na visokim tornjevima postale široko rasprostranjene, a da bi se povećao domet komunikacije, repetitor je više puta podignut na visoku visine pomoću zrakoplova i drugih letjelica. Kao svemirska relejna stanica, satelit se pokazao prikladnijim od drugih načina podizanja aktivnog releja, zbog svoje velike (gotovo neograničene) visine, dugog vijeka trajanja bez primjetne potrošnje energije (satelit se kreće u orbiti poput nebeskog tijela) , učinkovit rad solarnih panela, zasjenjenih atmosferskim formacijama - oblacima. Te su se prednosti pokazale važnijima od očitog nedostatka - visokih troškova lansiranja satelita u orbitu.

Velika nadmorska visina svemirske postaje omogućuje ne samo stvaranje širokopojasnih komunikacijskih linija velike duljine i velikog kapaciteta, već i izravnu komunikaciju preko satelita velikog broja zemaljskih postaja smještenih u području usluge ovaj satelit.

Već početkom šezdesetih lansirani su prvi komunikacijski sateliti - Molniya-1 (SSSR, 1965.) i Telstar (SAD, 1962.). Visoka eliptična orbita satelita Molniya-l, s visinom apogeja od oko jednog kilometra na sjevernoj hemisferi i nagibom prema ekvatoru od oko 65°, pokazala se pogodnom za opsluživanje zona uključujući cirkumpolarna područja, i još uvijek je uspješno koristio Sovjetski Savez. Telstarova niska orbita (visina apogeja 4800 km, perigej 800 km, nagib prema ekvatorijalnoj ravnini 45°) nikad nije korištena u budućnosti.

Međutim, još 1945. godine engleski inženjer A. Clarke, danas poznatiji kao autor znanstvenofantastičnih romana, predložio je (očigledno prvi put) korištenje

komunikacijsku geostacionarnu orbitu, odredio potrebnu visinu te orbite (~ km iznad površine Zemlje) i pokazao da su tri geostacionarna satelita dovoljna za stvaranje komunikacijskog sustava koji pokriva gotovo cijeli teritorij zemaljske kugle (vidi sliku). Izvanredna značajka satelita u geostacionarnoj orbiti je to što se čini da "pokretno visi" iznad neke točke na Zemlji. To vam omogućuje organiziranje komunikacije putem;
takav satelit bez prekida, bez praćenja satelita s antenama zemaljskih postaja. Nije slučajno da satelitski komunikacijski sustavi sa
AES u geostacionarnoj orbiti (GO) dobio je širok razvoj. Tako je do kolovoza 1985. godine 128 satelitskih komunikacijskih sustava registrirano u geostacionarnoj orbiti od strane Međunarodnog odbora za registraciju frekvencija (ICRF), a još 222 sustava su deklarirana u ICRF-u ili su bila u procesu usklađivanja. Očekuje se da će u sljedećih 6 godina još oko 200 satelita biti raspoređeno u GO u komunikacijske svrhe. Geostacionarna orbita također je pogodna za neke druge obećavajuće primjene, na primjer, za pretvaranje sunčeve energije u električnu pomoću solarnih panela instaliranih na geostacionarnom satelitu i prijenos na Zemlju visoko usmjerenim snopom.

Prijeti li nam prenapučenost u geostacionarnoj orbiti? Sa čisto geometrijskog gledišta, odnosno sa stajališta vjerojatnosti sudara i međusobnog zasjenjenja satelita, takva opasnost još ne postoji. Uostalom, duljina geostacionarne orbite je vrlo velika - km, a dimenzije satelita ograničene su na nekoliko metara. Osim toga, u praksi, za stvarno lansirane umjetne satelite koji imaju neke varijacije u visini i brzini, to nije geometrijska linija, već tijelo rotacije ("krafna"), koje ima primjetan volumen. Izračunato je da čak i ako se umjetni satelit lansira u geostacionarnu orbitu, vjerojatnost MX sudara neće prijeći 1 let. Međutim, kako bi se izbjeglo "začepljenje" GO-a, dokumenti Međunarodnog savjetodavnog odbora za radio (ICRC) razmatraju potrebu "uklanjanja" satelita iz geostacionarne orbite na kraju njihovog rada, za što je određena rezerva energije u satelitu motor se mora održavati na kraju radnog vijeka.

Ako razmotrimo problem popunjavanja GO sa stajališta elektromagnetske kompatibilnosti između komunikacijskih sustava s geostacionarnim satelitom, ispada da je geostacionarna orbita već preopterećena u određenim područjima u nekim frekvencijskim pojasima. S prostornom selektivnošću antena koja se sada primjenjuje u praksi, razmak između susjednih satelita koji rade u zajedničkom frekvencijskom pojasu, kako bi se izbjegle međusobne smetnje, u praksi iznosi 3-4°, a samo u rijetkim slučajevima smanjuje se na 2°. Pod ovim uvjetima, na GO se ne može postaviti više od 100-180 satelita koji rade u zajedničkom frekvencijskom pojasu. Frekvencijsko odvajanje satelita za neke usluge je teško jer, na primjer, moderni satelit fiksne usluge obično koristi većinu frekvencijskog pojasa dodijeljenog toj usluzi u jednom od dvostrukih pojaseva 4/6 ili 11/14 GHz, ili čak oba. Implementacija komunikacijskih sustava u drugim, višim frekvencijskim pojasima namijenjenim nepokretnoj službi je moguća, ali je povezana s određenim energetskim i tehnološkim poteškoćama.

Dakle, preopterećenje geostacionarne orbite satelitima zbog radijskih smetnji koje se javljaju među njima danas je činjenica. Koordinacija između zainteresiranih Uprava za komunikacije prije registracije novog sustava ponekad traje godinama.

U vezi s trenutnom situacijom, određeni broj komunikacijskih uprava (prvenstveno zemalja u razvoju) ima želju rasporediti geostacionarnu orbitu na planskoj osnovi, dodjeljujući svakoj zemlji položaj i frekvencijski pojas za opsluživanje određenog područja (podložno određenom broju potrebni parametri signala). Za radiodifuznu službu takav je plan razvijen i usvojen na Svjetskoj administrativnoj radiokomunikacijskoj konferenciji 1977. (WARC-77) za zemlje istočne hemisfere, te na Regionalnoj administrativnoj radiokomunikacijskoj konferenciji 1983. (RACR-83) za zapadnu hemisferu. hemisfera.

1985. godine održan je WARC (1. zasjedanje) o korištenju geostacionarne orbite i planiranju usluga koje se koriste njome, s ciljem da se svim zemljama omogući jednak pristup geostacionarnoj orbiti. Na ovoj sjednici odlučeno je da se treba razviti takozvani plan dodjele za nacionalne sustave fiksne satelitske službe kako bi se zadovoljili zahtjevi uprava, s najmanje jednom orbitalnom pozicijom dodijeljenom svakoj upravi. Za planiranje, pojasevi su dodijeljeni u pojasima 4/6 GHz i 11/14 GHz, po 800 MHz za veze Svemir-Zemlja i Zemlja-Svemir. U preostalim pojasima treba uvesti poboljšani postupak koordinacije.

Dakle, može se vidjeti da je korištenje geostacionarne orbite komunikacijskim satelitima danas jedan od najvažnijih i najzanimljivijih problema u razvoju komunikacijske tehnologije i istraživanja svemira u interesu nacionalnog gospodarstva. Ova knjiga je posvećena ovom problemu. Knjiga pruža osnovne podatke o kretanju satelita u geostacionarnoj orbiti i načela za određivanje servisnih područja za takve satelite. Opisuju se tipični satelitski komunikacijski sustavi s geostacionarnim satelitima, daju se parametri signala koji se prenose u tim sustavima, te parametri opreme zemaljskih i svemirskih postaja. Razmatraju se pravni i tehnički aspekti problema regulacije korištenja orbite te se analiziraju smetnje komunikacijskih sustava s geostacionarnim satelitima. Najvažniji dijelovi knjige posvećeni su metodama povećanja učinkovitosti korištenja geostacionarne orbite, procjeni maksimalnog dostižnog kapaciteta te orbite i načelima njezine planske uporabe.

Može se pretpostaviti da će ova pitanja dugo ostati relevantna i da će biti zanimljiva širokom krugu čitatelja - kako stručnjaka u području stvaranja i korištenja modernih komunikacijskih sustava, tako i čitatelja zainteresiranih za mogućnosti i izglede takvih sustava.

Poglavlja 1, 2, 4, 5, 6, § 3.1, 3.2, 3.3, 9.3 napisao L. Kantor; CH. 7, 8, § 3.4, 3.5, 9.1, 9.2 -B. Timofeev; § 9.4 - zajednički autori na temelju materijala koje je ljubazno ustupila V. Baklanova.

1. ORBITA GEOSTACIONARNOG AES-a.USLUŽNI PODRUČJI

1.1. ORBITE ZEMLJINSKIH SATELITA

Putanja umjetnog Zemljinog satelita naziva se njegova orbita. Tijekom slobodnog leta, kada su mlazni motori ugašeni, Zemljin satelit se giba poput nebeskog tijela, pod utjecajem gravitacijskih sila i inercije, pri čemu je dominantna gravitacijska sila Zemljina gravitacija. Ako Zemlju jednostavno smatramo strogo sferičnom, a Zemljino gravitacijsko polje jedinim koji utječe na satelit, tada se kretanje satelita oko Zemlje pokorava Keplerovim zakonima. Pod ovim pretpostavkama, satelit se kreće u stacionarnoj (u apsolutnom prostoru) ravnini - orbitalnoj ravnini koja prolazi kroz središte Zemlje; ukupna mehanička energija (kinetička i potencijalna) satelita ostaje nepromijenjena, zbog čega se udaljavanjem satelita od Zemlje brzina gibanja smanjuje, a približavanjem povećava. Orbita satelita u strogo središnjem gravitacijskom polju ima oblik elipse ili kružnice – poseban slučaj elipse.

Jednadžba eliptične orbite Zemljinog satelita u polarnom koordinatnom sustavu (u oznaci usvojenoj u) (ima vodu-

= R /(1+ e COShttps://pandia.ru/text/78/235/images/image004_24.gif" width="12" height="13"> - modul radijusa vektora (udaljenost od satelita do središta Zemlje); - kutni koordinata radijusa - vektora (“prava anomalija”);e - orbitalni ekscentricitet; R- žarišni parametar.

Na e= 0 jednadžba (1..gif" width="12" height="13 src=">.gif" width="17" height="19">=0°), i točka apogeja (=180°) - s najvećom vrijednošću r=r a (slika 1.1). Središte privlačnog tijela - Zemlje - nalazi se u jednom od žarišta elipse (u kružnoj orbiti žarišta se spajaju sa središtem). Iz geometrije je poznato da je za elipsu žarišni parametar R= b 2/A=A(1-e 2), gdje A=(a+n)/2 - velika poluos, b= A- mala poluos, e= =

= (https://pandia.ru/text/78/235/images/image004_24.gif" width="12" height="13 src=">p)/2 A- ekscentričnost. Fokusi elipse su udaljeni od središta ae, - ae. Ako Zemlju smatramo sfernom, onda je orbitalna visina (visina satelita iznad Zemljine površine)

h= G- R, Gdje R- radijus Zemlje.

Orbitalna ravnina općenito se siječe s ekvatorijalnom ravninom (slika 1.2). Crta presjeka orbitalne ravnine s ekvatorijalnom ravninom naziva se linija čvorova, točka presjeka orbite satelita s ekvatorijalnom ravninom kada se satelit kreće s južne hemisfere na sjevernu naziva se uzlazni čvor, točka sjecišta kada se satelit kreće od sjevera prema jugu je silazni čvor.

Važna karakteristika orbite satelita je nagib njegove ravnine prema ekvatorijalnoj ravnini, karakteriziran kutom ja između ovih ravnina (mjereno u uzlaznom čvoru, u smjeru suprotnom od kazaljke na satu od istočnog "smjera") (Sl. 1.2). Na temelju nagiba, ekvatorijalni ( ja= 0), polarni ( ja=90°) i nagnut (0 < ja<90°) орбиты, по направлению движения ИСЗ от­носительно вращения земли -прямые (0<ja<90°) и обратные (90°< ja DIV_ADBLOCK659">

Sustavi komunikacija i emitiranja zahtijevaju izravnu vidljivost između satelita i zemaljskih postaja za sesiju dovoljnog trajanja. Ako komunikacijska sesija nije 24-satna, onda je zgodno da se ponavlja svaki dan u isto vrijeme. Stoga su od posebnog interesa sinkrone orbite s periodom revolucije jednakim ili višestrukim od vremena rotacije Zemlje oko svoje osi (tj. zvjezdani dan). Period kruženja satelita T Q = T 3m/ n(Gdje T 3-trajanje zvjezdanog dana: m I n- cijeli brojevi), broj orbita satelita po danu N=T 3/TQ= n/ m,

1.2. GEOSTACIONARNA ORBITA

Na temelju navedenog možemo dati definiciju geostacionarne orbite. Geostacionarna orbita (točnije orbita geostacionarnog satelita) je kružna (ekscentricitet e=0), ekvatorijalni ( t= 0), sinkrona orbita s orbitalnim periodom od 24 sata, pri čemu se satelit kreće u smjeru istoka. Lako je razumjeti da će satelit u geostacionarnoj orbiti "visjeti" iznad određene točke na zemljinoj površini (na određenoj geografskoj dužini iznad ekvatora) na visini od kilometara iznad zemljine površine (vidi tablicu 1.1 i sliku 1.3). ). Točna vrijednost orbitalnog perioda, jednaka periodu rotacije Zemlje (siderički dan), je 23 sata 56 minuta. 04 s.

Prednosti geostacionarnih satelita su očite i izuzetno značajne. Komunikacija putem geostacionarnog satelita može se odvijati kontinuirano, 24 sata dnevno, bez prekida radi prijelaza s jednog (dolaznog) satelita na drugi; na zemaljskim postajama sustavi za automatsko praćenje satelita mogu se pojednostaviti ili potpuno eliminirati, a sami mehanizmi za pokretanje (kretanje) antene mogu se olakšati i pojednostaviti; veća stabilnost razine signala sa satelita zbog konstantne udaljenosti; nema (ili je vrlo mali) pomak frekvencije zbog Dopplerovog efekta (vidi § 1.4).

Zbog velike nadmorske visine geostacionarnog satelita, njegova zona vidljivosti na Zemljinoj površini je velika - oko jedne trećine cijele Zemljine površine (slika 1.4). Zbog svih ovih prednosti, geostacionarna orbita ima vrlo široku primjenu, au najprikladnijim frekvencijskim pojasima već je gotovo do krajnjih granica zasićena komunikacijskim satelitima. Treba naglasiti da geo-

stacionarna orbita je jedina, jedinstvena i nijednom drugom kombinacijom parametara nije moguće postići efekt relativne nepokretnosti slobodno pokretnog satelita za zemaljskog promatrača.

Od sl. 1.4 jasno je da polarne regije slabo opslužuju geostacionarni sateliti, budući da je satelit vidljiv pod vrlo malim kutovima elevacije, a uopće nije vidljiv u blizini pola. Mali kutovi elevacije uzrokuju opasnost od zasjenjenja satelita lokalnim objektima i povećavaju doprinos radiotermalnog zračenja Zemlje općoj buci zemaljske postaje. Od sl. 1.4 jasno je da je situacija gora što je točka primanja od našeg interesa udaljenija od zemljopisne dužine satelita. Stoga, da bi opsluživao teritorije na velikim geografskim širinama, geostacionarni satelit mora biti lociran što je moguće bliže optimalnoj točki na dužini, drugim riječima, takozvanom servisnom luku — GO dijelu unutar kojeg se satelit može kretati bez narušavanja usluge površina — trebala bi biti minimalna. To se također može vidjeti iz Sl. 1.5, koji vam omogućuje određivanje kuta elevacije geostacionarnog satelita u bilo kojoj točki u zoni. Zbog ovog nedostatka, kao i zbog velikog opterećenja geostacionarne orbite, razmatra se korištenje drugih vrsta orbita, prvenstveno sinkronih (vidi tablicu 1.1). Do sada je u komunikacijske svrhe korištena samo 12-satna eliptična orbita s visinom apogeja od oko 40 tisuća km i inklinacijom iDIV_ADBLOCK661"

Međutim, u slučaju umjetnog satelita koji se kreće u visokoj eliptičnoj "Molniya" orbiti, antene zemaljskih postaja (ES) moraju pratiti pokretni satelit, a najmanje 3 puta dnevno sve zemaljske postaje moraju izvršiti istovremeni prijelaz na drugu satelit s prekidom komunikacije.

Zbog neizbježnog odstupanja GO parametara od potrebnih vrijednosti pri lansiranju satelita, kao i zbog ometajućih čimbenika koji narušavaju strogo središnje gravitacijsko polje, kretanje stvarnog geostacionarnog satelita uvijek je nešto drugačije od idealnog geostacionarnog. . Necentralnost gravitacijskog polja posljedica je nesferičnosti Zemlje (i po obliku i po raspodjeli masa Zemljine kugle). Smetnje u gibanju satelita uzrokuju i otpor atmosfere, gravitacijska polja Sunca i Mjeseca itd. Uslijed svih ovih poremećaja orbita satelita postaje otvorena, a satelit nakon što se okrene oko Zemlje ne vratiti točno u svoj prethodni položaj osim ako se ne izvrši potrebna korekcija. Konkretno, atmosferski otpor uzrokuje smanjenje brzine satelita,

148">

dakle - smanjenje orbitalne visine; Istodobno se smanjuje ekscentricitet orbite. Stvarni utjecaj kočenja u atmosferi na geostacionarne satelite je mali (značajan je za eliptične orbite s malom visinom perigeja ili niske kružne orbite koje padaju u gušće slojeve atmosfere).

Razmotrimo utjecaj netočnosti početnih orbitalnih parametara na gibanje geostacionarnog satelita pod idealno središnjim gravitacijskim poljem Zemlje. Razlika između orbitalnog perioda satelita i zvjezdanog dana za određeni iznos T dovodi do promjene geografske dužine satelita tijekom jedne revolucije satelita oko Zemlje za iznos = - https://pandia.ru/text/78/235/images/image019_16.gif" width="15" visina ="17 src="> T = T S- T 3, T 3 - zvjezdani dan, T c je orbitalni period satelita (tzv. sideralni period). Ako T C> T 3, dakle<0, и спутник смещается в западном. направлении, отставая от движения Земли, и наоборот.

Ako se prilikom lansiranja satelita ispostavi da orbita nije baš kružna, već ima blagi ekscentricitet e (e 1), ali u ovom slučaju period revolucije je točno jednak traženoj vrijednosti ( T c = T h), tada će satelit oscilirati u dužini oko prosječnog položaja https://pandia.ru/text/78/235/images/image024_16.gif" width="103" height="24"> s amplitudom od 2 e.

Razlika između orbite i striktno ekvatorijalne (inklinacija i0) pri malom nagibu uzrokuje oscilacije satelita, a prevladavaju oscilacije u zemljopisnoj širini, određene zakonom

Gdje I-argument satelitske širine (kut između uzlaznog čvora orbite i smjera prema satelitu u orbitalnoj ravnini); - geografska širina podsatelitske točke.

Iz (1.2) vidljivo je da je amplituda oscilacija geografske širine jednaka inklinaciji, a period jednak orbitalnom periodu satelita. Putanja podsatelitske točke na ja 0 prikazan je na sl. 1.6. Posebno je važan utjecaj inklinacije orbite na gibanje kvazistacionarnog (tj. gotovo stacionarnog) satelita, budući da se inklinacija orbite javlja čak i kod početno striktno ekvatorijalne orbite zbog neidealnosti gravitacijskog polja.

Od faktora koji remete orbitu zamjetan utjecaj ima ekvatorska kompresija Zemlje (odstupanje ekvatora od točnog oblika kruga). Analiza pokazuje da zbog toga dolazi do oscilacija geostacionarnog satelita u orbitalnoj ravnini po dužini i visini s dugim periodom - do nekoliko godina, u blizini točaka stabilne ravnoteže. Točke stabilne ravnoteže su točke presjeka male poluosi ekvatorskog presjeka Zemlje s geostacionarnom putanjom. Ostala odstupanja Zemljinog polja od strogo središnjeg uzrokuju blagu promjenu orbitalnog perioda, blagu promjenu ekscentriciteta i promjenu dužine uzlaznog čvora.

Gravitacijska polja Mjeseca i Sunca uzrokuju male promjene u orbitalnom periodu i ekscentričnosti te praktičnu evoluciju orbitalnog nagiba. Promjena nagiba tijekom godine postojanja satelita može ovisiti o astronomskom datumu (parametrima Mjesečeve orbite), tj. nakon 1-2 godine počet će fluktuacije satelita zbog rezultirajućeg nagiba (Sl. 1.6). značajno utjecati na rad komunikacijskog sustava. Situacija se po prvi put može donekle ublažiti postavljanjem satelita u orbitu s unaprijed određenom "negativnom" inklinacijom-longitudom uzlaznog kuta od 270°; tada će se orbitalna inklinacija prvo smanjiti u veličini, doseći nulu, a tek onda početi rasti gore navedenom brzinom.

Tako su razmotreni čimbenici koji imaju značajan utjecaj na kretanje geostacionarnog satelita (ispravnije bi ga bilo nazvati kvazistacionarnim). Kretanje umjetnog satelita u odnosu na danu stacionarnu točku nepovoljno utječe na rad komunikacijskih sustava. Prvo, potrebno je kontinuirano usmjeravanje antena zemaljskih postaja prema satelitima, za što će one morati biti opremljene pogonom i sustavom za automatsko navođenje, što je često neprihvatljivo u mrežama s velikim brojem jednostavnih satelita. Drugo, kretanje satelita dovodi do smanjenja područja usluge. Treće, kretanje satelita po dužini dovodi do moguće konvergencije susjednih satelita i povećava međusobne smetnje između njih, pogoršavajući korištenje geostacionarne orbite. S tim u vezi, trenutno se preporučuje da nestabilnost položaja satelita u dužini ne smije prelaziti ±0,1°. Budući da se ometajući čimbenici ne mogu eliminirati, potrebno je povremeno eliminirati njihov utjecaj na kretanje satelita - izvršiti takozvanu korekciju kretanja satelita, dajući mu potrebno ubrzanje u željenom smjeru. Za korekciju, na satelitu su instalirani motori: ili uključeni naredbom sa Zemlje ili rade u autonomnom načinu rada. Analiza pokazuje da troškovi energije

korekcija položaja satelita ne ovisi o točnosti držanja; to se objašnjava činjenicom da je za držanje satelita unutar užih granica potrebno češće vršiti korekcije, ali sa svakom korekcijom mora biti utrošena odgovarajuća manja količina energije. Treba napomenuti da korekcija nagiba orbite zahtijeva značajno više energije nego korekcija dužine.

Izneseni su prijedlozi za korištenje oscilacija kvazistacionarnog satelita (vidi sliku 1.6) za postavljanje nekoliko satelita na jednu nominalnu poziciju. Može se vidjeti da kada se nekoliko satelita kreće takvom putanjom u istom smjeru, između njih se održava određena kutna udaljenost, koja može biti dovoljna za održavanje međusobne interferencije na potrebnoj razini (slika 1.7). Razmatrano je, na primjer, postavljanje na jednu “osmicu” od tri satelita, od kojih su samo dva u svakom trenutku uključena u rad, što, pod uvjetom da se satelit pravovremeno prebaci iz aktivnog u pasivni način, omogućuje održavanje kutnog udaljenost između dva aktivna satelita jednaka je 3/4 raspona osmice u smjeru sjever-jug. Međutim, takve mogućnosti još nisu realizirane.

1.3. RASVJETLJENOST GEOSTACIONARNOG AESITA;

Osvjetljenje ANTENA ZEMALJSKE POSTAJE

SUNCE I MJESEC

Kada se kreće geostacionarnom orbitom, satelit se može neko vrijeme naći u Zemljinoj sjeni (slika 1.8). Ovaj fenomen je značajan jer se sateliti obično napajaju solarnim panelima, pa ulazak u područje Zemljine sjene lišava opremu na brodu napajanja električnom energijom; energija mora biti pohranjena u baterijama ili komunikacijski sustav mora biti prekinut tijekom sjenčanja. Sjenčanje također uzrokuje oštru promjenu u načinu rada dizelske lokomotive umjetnog satelita. Stoga je važno trajanje zasjenjenja i vrijeme njegovog početka.

riža. 1.9. Relativni položaj ravnina Zemljine orbite i ekvatorskog satelita a - ljeto na sjevernoj hemisferi; b- razdoblje ekvinocija

Budući da se ravnina geostacionarne orbite (ravnina ekvatora) i ravnina Zemljine orbite pri kretanju oko Sunca ne poklapaju (zbog poznatog nagiba Zemljine osi), veći dio godine geostacionarni satelit ne uopće pasti u Zemljinu sjenu: kada se nalazi “iza Zemlje”, satelit je viši (ili ispod) linije Sunce-Zemlja (Sl. 1.9,a). Samo u razdobljima blizu jesenskog ili proljetnog ekvinocija moguće je zasjenjenje, budući da se satelit, koji prelazi ravninu Zemljine orbite, nalazi na ravnoj liniji Sunce-Zemlja (Sl. 1.9b).

Također je očito da se zasjenjenje može dogoditi jednom tijekom perioda rotacije Zemlje, tj. dnevno, i da je vrijeme zasjenjenja povezano s lokalnim vremenom za zemljopisnu dužinu na kojoj se nalazi geostacionarni satelit - sa sl. 1.8 jasno je da bi na podsatelitskoj točki tijekom zasjenjenja satelita trebala biti noć.

Analiza, provedena pod nekim pojednostavljenim pretpostavkama, omogućila je izračunavanje vremena ulaska t unutra i van t satelita iz Zemljine sjene ovisno o datumu (sl. 1.10). Kao što vidimo, sjenčanje geostacionarnog satelita događa se samo u

razdoblja kraća od 1,5 mjeseca, blizu jesenskog i proljetnog ekvinocija, a vrijeme ne prelazi 1 sat i 10 minuta dnevno. Slika 1.10 napravljena je za moskovsko vrijeme i satelit koji se nalazi na zemljopisnoj dužini =0°. Kao što možete vidjeti, položaj satelita na zapadnijoj zemljopisnoj dužini od zemljopisne dužine područja usluge dovodi do početka sjenčanja kasnije, nakon uobičajenog vremena televizijskog emitiranja, što omogućuje rad bez baterija satelit..gif" width="107" height="27 "> (1.3)

gdje su in, tout određeni sa Sl. 1,10, a koeficijent 15 je zbog toga što je širina jedne vremenske zone 15°.

Vrijeme zasjenjenja satelita uzeto je u obzir prilikom izrade plana emitiranja za ZAKR-77 - svi sateliti pomaknuti su prema zapadu u odnosu na točku ciljanja ugrađene antene.

Sada se okrenimo još jednom fenomenu, također određenom čisto astronomskim zakonima gibanja nebeskih tijela - fenomenu pada Sunca ili Mjeseca u antenski snop zemaljskih postaja. I u ovom slučaju, satelit bi trebao biti blizu ravnine Zemljine orbite dok se okreće oko Sunca (ili blizu ravnine Mjesečeve orbite dok se okreće oko Zemlje), ali ne iza Zemlje, kao u slučaju sjenčanje, ali ispred nje. Ulazak Sunca ili Mjeseca u snop zemaljske antene uzrokuje smetnje u prijemu signala zbog radiotoplinskog zračenja ovih nebeskih tijela. Gustoća toka snage W

Plan:

Uvod

• 1 Stajna točka
• 2 Postavljanje satelita u orbitu
• 3 Proračun parametara geostacionarne orbite
  • 3.1 Orbitalni radijus i orbitalna visina
  • 3.2 Orbitalna brzina
  • 3.3 Duljina orbite
• 4 Komunikacija
Bilješke

Uvod

Geostacionarna orbita(GSO) - kružna orbita koja se nalazi iznad Zemljinog ekvatora (0° geografske širine), pri čemu umjetni satelit kruži oko planeta kutnom brzinom koja je jednaka kutnoj brzini rotacije Zemlje oko svoje osi, te se stalno nalazi iznad iste točke na zemljinoj površini. Geostacionarna orbita je vrsta geosinkrone orbite i koristi se za postavljanje umjetnih satelita (komunikacije, televizijsko emitiranje itd.)

Satelit bi trebao kružiti u smjeru Zemljine rotacije, na visini od 35.786 km iznad razine mora (pogledajte dolje za GEO izračun visine). Upravo ta visina daje satelitu period revolucije jednak razdoblju rotacije Zemlje u odnosu na zvijezde (zvjezdani dan: 23 sata, 56 minuta, 4,091 sekundi).

Izražena je ideja o korištenju geostacionarnih satelita u komunikacijske svrhe [ Kada?] K. E. Tsiolkovsky i slovenski teoretičar astronautike Herman Potocnik 1928. godine. Prednosti geostacionarne orbite postale su nadaleko poznate nakon objavljivanja znanstveno-popularnog članka Arthura C. Clarkea u časopisu “Wireless World” 1945. godine, stoga je na Zapadu geostacionarna a geosinkrone orbite se ponekad nazivaju " Clarke kruži", A " Clarkov remen“ odnosi se na područje svemira na udaljenosti od 36.000 km nadmorske visine u ravnini zemljinog ekvatora, gdje su orbitalni parametri bliski geostacionarnim. Prvi satelit uspješno lansiran u GEO bio je Sinkom-2, kojeg je NASA lansirala u srpnju 1963.

1. Stajanje

Satelit koji se nalazi u geostacionarnoj orbiti je stacionaran u odnosu na površinu Zemlje, stoga se njegov položaj u orbiti naziva stacionarna točka. Kao rezultat toga, satelitski orijentirana i fiksno usmjerena antena može održavati stalnu komunikaciju s ovim satelitom dulje vrijeme.

2. Postavljanje satelita u orbitu

Za Arkhangelsk, najveća moguća visina satelita iznad horizonta je 17,2°
Najviša točka Clarkovog pojasa uvijek je okrenuta prema jugu. Na dnu grafa nalaze se stupnjevi - meridijani iznad kojih se nalaze sateliti.
Sa strana su visine satelita iznad horizonta.
Na vrhu je smjer prema satelitu. Radi jasnoće, možete ga vodoravno razvući 7,8 puta i okrenuti slijeva na desno. Tada će izgledati isto kao na nebu.

Geostacionarna orbita može se točno postići samo na kružnici koja se nalazi točno iznad ekvatora, s visinom vrlo blizu 35.786 km.

Kad bi geostacionarni sateliti bili vidljivi na nebu golim okom, tada bi se linija na kojoj bi bili vidljivi poklapala s "Clarkovim pojasom" za određeno područje. Geostacionarni sateliti, zahvaljujući dostupnim točkama za montiranje, prikladni su za korištenje za satelitsku komunikaciju: jednom kada se orijentira, antena će uvijek biti usmjerena na odabrani satelit (ako ne mijenja svoj položaj).

Za prijenos satelita iz orbite male visine u geostacionarnu orbitu koriste se geostacionarne prijenosne orbite (GTO) - eliptične orbite s perigejem na maloj visini i apogejem na visini bliskoj geostacionarnoj orbiti.

Nakon završetka aktivnog rada na preostalom gorivu, satelit se mora prebaciti u orbitu za odlaganje koja se nalazi 200-300 km iznad GEO.

3. Izračun parametara geostacionarne orbite

3.1. Orbitalni radijus i orbitalna visina

U geostacionarnoj orbiti satelit se Zemlji ne približava niti udaljava od nje, a osim toga, rotirajući sa Zemljom, stalno se nalazi iznad bilo koje točke na ekvatoru. Posljedično, gravitacijske i centrifugalne sile koje djeluju na satelit moraju se međusobno uravnotežiti. Da biste izračunali visinu geostacionarne orbite, možete koristiti metode klasične mehanike i poći od sljedeće jednadžbe:

F u = F Γ ,

Gdje F u- inercijalna sila, au ovom slučaju centrifugalna sila; FΓ - gravitacijska sila. Veličina gravitacijske sile koja djeluje na satelit može se odrediti Newtonovim zakonom univerzalne gravitacije:

,

Gdje m c- masa satelita, M 3 - masa Zemlje u kilogramima, G je gravitacijska konstanta, i R- udaljenost u metrima od satelita do središta Zemlje ili, u ovom slučaju, radijus orbite.

Veličina centrifugalne sile jednaka je:

,

Gdje a- centripetalno ubrzanje koje se javlja tijekom kružnog gibanja u orbiti.

Kao što vidite, masa satelita m c prisutna je kao množitelj u izrazima za centrifugalnu silu i za gravitacijsku silu, odnosno visina orbite ne ovisi o masi satelita, što vrijedi za sve orbite i posljedica je jednakosti gravitacijska i inercijalna masa. Posljedično, geostacionarna orbita određena je samo visinom na kojoj će centrifugalna sila biti jednaka po veličini i suprotnog smjera gravitacijskoj sili koju stvara Zemljina gravitacija na danoj visini.

Centripetalno ubrzanje je jednako:

,

gdje je ω kutna brzina rotacije satelita, u radijanima po sekundi.

Napravimo jedno važno pojašnjenje. Naime, centripetalna akceleracija ima fizikalni smisao samo u inercijalnom referentnom okviru, dok je centrifugalna sila tzv. imaginarna sila i javlja se isključivo u referentnim okvirima (koordinatama) koji su povezani s rotirajućim tijelima. Centripetalna sila (u ovom slučaju sila teže) uzrokuje centripetalno ubrzanje. U apsolutnoj vrijednosti (u apsolutnoj numeričkoj vrijednosti), centripetalna akceleracija u inercijalnom referentnom okviru jednaka je centrifugalnoj akceleraciji u referentnom okviru koji je u našem slučaju povezan sa satelitom. Stoga, nadalje, uzimajući u obzir iznesenu napomenu, možemo koristiti izraz "centripetalna akceleracija" zajedno s pojmom "centrifugalna sila".

Izjednačavajući izraze za gravitacijsku silu i centrifugalnu silu sa zamjenom centripetalnog ubrzanja, dobivamo:

.

Smanjenje m c, prevođenje R 2 lijevo, a ω 2 desno, dobivamo:

.

Ovaj izraz možete napisati drugačije, zamijenivši ga s μ - geocentričnom gravitacijskom konstantom:

Kutna brzina ω izračunava se dijeljenjem kuta prijeđenog po okretaju (radijani) s orbitalnim periodom (vrijeme koje je potrebno da se izvrši jedan okretaj u orbiti: jedan zvjezdani dan ili 86,164 sekunde). Dobivamo:

rad/s

Rezultirajući radijus orbite je 42.164 km. Oduzimajući ekvatorski radijus Zemlje, 6,378 km, dobivamo visinu od 35,786 km.

3.2. Orbitalna brzina

Orbitalna brzina (brzina kojom satelit leti kroz svemir) izračunava se množenjem kutne brzine s orbitalnim radijusom:

km/s ili = 11052 km/h

Izračune možete napraviti na drugi način. Visina geostacionarne orbite je udaljenost od središta Zemlje na kojoj kutna brzina satelita, koja se podudara s kutnom brzinom Zemljine rotacije, stvara orbitalnu (linearnu) brzinu jednaku prvoj izlaznoj brzini (kako bi se osigurala kružna orbita) na zadanoj visini. Rješavanjem ove jednostavne jednadžbe dobit ćemo, naravno, iste vrijednosti kao u izračunima pomoću centrifugalne sile. Također je jasno zašto su geostacionarne orbite tako visoke. Satelit je potrebno odmaknuti dovoljno daleko od Zemlje da prva izlazna brzina tamo bude toliko mala (oko 3 km/s, usp. oko 8 km/s u niskim orbitama)

Također je važno napomenuti da geostacionarna orbita mora biti kružna (i zato je prva izlazna brzina raspravljena gore). Ako je brzina manja od prve kozmičke brzine (na određenoj udaljenosti od Zemlje), tada će se satelit smanjiti; ako je brzina veća od prve kozmičke brzine, orbita će biti eliptična, a satelit neće biti sposoban jednoliko sinkrono rotirati sa Zemljom.

3.3. Duljina orbite

Duljina geostacionarne orbite: . Uz radijus orbite od 42.164 km, dobivamo dužinu orbite od 264.924 km.

Duljina orbite iznimno je važna za izračunavanje "točaka stajanja" satelita.

4. Komunikacija

Komunikaciju putem ove vrste satelita karakteriziraju velika kašnjenja u širenju signala. Čak i putovanje jedne zrake do satelita i natrag traje gotovo četvrt sekunde. Ping do druge točke na zemlji trajat će oko pola sekunde.

S orbitalnom visinom od 35.786 km i brzinom svjetlosti od oko 300.000 km/s, putovanje zrake Zemlje i satelita zahtijeva 35786/300000 = ~0,12 sekundi. Putanja zraka “Zemlja (odašiljač) -> satelit -> Zemlja (prijemnik)” ~0,24 sek. Ping će zahtijevati ~0,48 sekundi

Uzimajući u obzir kašnjenje signala u satelitskoj opremi i opremi zemaljskih službi, ukupno kašnjenje signala na ruti Zemlja -> satelit -> Zemlja može doseći 2-4 s.

Održavanje satelita na točki u geostacionarnoj orbiti zahtijeva energiju, a time i financijske troškove. To je zbog činjenice da orbita mora biti striktno kružna, imati striktno određenu visinu i karakterizirati je striktno određena brzina (sva tri parametra su međusobno povezana). Stoga geostacionarni sateliti brzo troše raspoložive rezerve goriva kako bi ispravili brzinu i visinu orbite. Zato se trenutno uglavnom koriste ne "viseći", već sateliti u obliku "osmice" smješteni u geosinkronim orbitama, koje, između ostalog, mogu biti znatno niže od geostacionarnih orbita. Osim toga, par od dva satelita u sudarajućim se eliptičnim orbitama smještenim pod kutom u odnosu na ekvatorijalnu ravninu puno je jeftiniji za rad od jednog geostacionarnog satelita.

Malo je aspekata ere aktivnog istraživanja svemira imalo tako dubok utjecaj na svakodnevni život čovječanstva kao koncept geostacionarne orbite, usko povezan s izumom komunikacijskog satelita. Ova dva čimbenika pokazala su se pravim tehnološkim i znanstvenim probojem, koji je dao ogroman poticaj razvoju ne samo telekomunikacijskih tehnologija, već i cijele znanosti općenito, što je omogućilo da se životi ljudi dovedu na kvalitativno novu razinu.

To je omogućilo pokrivanje cijelog planeta gustom mrežom stabilnih radio signala i povezivanje čak i najudaljenijih točaka planeta na način koji je donedavno bio predmet snova znanstvenika i tema pisaca znanstvene fantastike. Danas možete slobodno razgovarati telefonom s polarnim istraživačima Antarktika ili putem interneta odmah kontaktirati bilo koje računalo na površini, a sve to zahvaljujući geostacionarnoj orbiti i komunikacijskim satelitima.

Geostacionarna orbita je kružna orbita koja se nalazi točno iznad ekvatora planeta. Geostacionarna orbita jedinstvena je po tome što sateliti koji se nalaze na njoj imaju rotaciju oko Zemlje jednaku brzini rotacije samog planeta oko vlastite osi, što im daje mogućnost da stalno "lebde" nad istom točkom na površini. To osigurava stabilnost i iznimnu kvalitetu radio signala.

Geostacionarna orbita, kao vrsta geosinkrone orbite i ima jedinstvene karakteristike, široko se koristi za smještaj telekomunikacijskih, televizijskih, meteoroloških, znanstveno-istraživačkih i drugih satelita. Visina geostacionarne orbite je 35.785 kilometara iznad razine mora. Upravo ta precizno izračunata visina osigurava sinkronu rotaciju s planetom. Umjetni sateliti smješteni na GEO rotiraju se u istom smjeru kao i globus. Ovo je jedina moguća kombinacija parametara pri kojoj se postiže efekt sinkronog gibanja satelita i planeta.

Geostacionarna orbita ima i alternativni naziv - Clarkov pojas, nazvan po osobi koja ima lavovske zasluge za razvoj ideje i razvoj koncepta geostacionarne i geosinkrone orbite. Godine 1945., u svojoj publikaciji u Wireless Worldu, odredio je orbitalne karakteristike ovog uskog područja svemira blizu Zemlje i predložio raspravu o tehničkim parametrima potrebnim za komunikacijski sustav Zemlja-satelit.

Naglim razvojem telekomunikacija geostacionarna orbita pretvorila se u jedinstveni pojas svemira s nezamjenjivom i suštinski ekstremnom zagušenošću ovog područja raznim satelitima postala je ozbiljan problem. Prema mišljenju stručnjaka, u 21. stoljeću očekuje se žestoka konkurentska ekonomska i politička konfrontacija za mjesto u geostacionarnoj orbiti. Međunarodni politički sporazumi ne mogu riješiti ovaj problem. Nastat će potpuno pat situacija. A u sljedeća dva desetljeća, prema nadležnim prognozama, geostacionarna orbita kao najpovoljnije mjesto za to potpuno će iscrpiti svoj resurs.

Jedno od najvjerojatnijih rješenja može biti izgradnja teških višenamjenskih platformskih stanica u orbiti. Sa suvremenim tehnologijama jedna takva stanica može uspješno zamijeniti desetke satelita. Te će platforme biti isplativije od satelita i služit će informativnom zbližavanju zemalja.