662_Nosov_V.I._Obespechenie_ehlektromagnitnoj_sovmestimosti_

ИСЗ

Н

i

Плоскость орбиты ИСЗ

Рис. 1.21. – Наклонение и высота орбиты ИСЗ

Точка пересечения с поверхностью Земли радиуса-вектора, проведенного в точку размещения спутника из центра Земли, называется подспутниковой точкой (Р). На рис. 1.22 представлены угол места, подспутниковая точка, наклонная дальность.

Угол возвышения (угол места) определяется между направлениями на горизонт и на ИСЗ. Протяженность (наклонная дальность) d линии связи – это расстояние между ЗС и ИСЗ.

Азимут – А это угол, отсчитываемый в горизонтальной плоскости против часовой стрелки между направлениями на Северный полюс и проекцией направления на ИСЗ на плоскость, касательную к поверхности Земли.

Азимут для антенн ЗС, расположенных в северном полушарии определяется по формулам:

– для ЗС, находящихся западнее подспутниковой точки Р

КС

A ЗС

g

O

Рис. 1.22. – Угол места, наклонная дальность и азимут

Важнейший параметр орбиты – период обращения Т, определяемый как время между двумя последовательными прохождениями спутника через одну и ту же точку орбиты. Для установления связи удобно, чтобы спутник появлялся над одними и теми же районами Земли в одно и тоже время. Этому требованию отвечают синхронные орбиты с периодом обращения, кратным времени оборота Земли вокруг своей оси (звёздным суткам, Тз = 23 ч 56 мин 04 с) или около 24 часов, т.е.

где N – число оборотов спутника вокруг Земли за сутки. Параметры нескольких синхронных орбит приведены в таблице 1.4.

Примечание: высота всех эллиптических орбит в перигее Нп = 500 км.

Как видно из таблицы 1.4 и согласно законам Кеплера, чем ниже орбита ИСЗ, тем меньше период обращения.

Таблица 1.4. – Параметры синхронных орбит

Предпоследняя строка в таблице 1.4 для эллиптической орбиты при наклонении i = 63,50 характерна для широко используемых спутников типа "Молния". Рассмотрим такой тип орбиты подробнее.

Эллиптическая орбита. Удобство такой орбиты заключается не только в её синхронности, но и в большой зоне видимости благодаря значительной высоте ИСЗ в апогее (рис.1.23).

Самое главное преимущество орбиты "Молния" заключается в том, что апогей расположен над северным полушарием и спутник в верхней части орбиты "освещает" почти всю территорию России, в том числе приполярные области.

В соответствии со вторым законом Кеплера спутник в апогее орбиты движется медленнее, чем в перигее, и видимость некоторой поверхности Земли длится не менее 8 часов. Поэтому 3-х сменяющих друг друга спутников достаточно для круглосуточной связи с короткими перерывами в заранее известное время для перевода антенн всех ЗС с заходящего ИСЗ на восходящий (при долготе апогея одного из витков, соответствующей примерно середине территории России). Это справедливо даже при условии, что второй (за сутки) виток ИСЗ, апогей которого оказывается над западным полушарием, используется для обслуживания территории России только некоторую часть времени [1, 4, 5].

Для эллиптической орбиты скорость в перигее больше скорости в апогее. Следовательно, при использовании ИСЗ в качестве ретранслятора для радиосвязи скорость движения земной антенны, следящей за ИСЗ, будет наименьшей в том случае, если используется участок орбиты вблизи апогея.

Сидерический период обращения ИСЗ по эллиптической орбите определяется выражением

53

ИСЗ Апогей

39000 км

Зона

радиовидимости

Земная станция

Перигей

500 км

Рис. 1.23. – Эллиптическая орбита спутника «Молния»

Кроме центрального поля тяготения на положение орбиты спутника оказывает влияние ряд других факторов, вызывающих «возмущение» параметров орбиты. Наиболее существенными из них являются так называемые вековые возмущения орбиты, которые непрерывно возрастают во время полета спутника. Однако при угле наклонения орбиты i = 63°50' такие возмущения орбиты минимальны.

Анализ воздействия на орбиту притяжения Луны и Солнца показывает, что оно приводит к изменению положения и высоты перигея и повороту плоскости орбиты. Значительное уменьшение высоты перигея из-за торможения в атмосфере может привести к падению спутника на Землю. Чтобы этого не случилось, по команде с Земли спутнику придаётся дополнительное ускорение и его положение на орбите выравнивается.

Круговая орбита. Рассмотрим частный, но практически более важный случай орбиты – круговую орбиту. Период обращения ИСЗ вокруг Земли по круговой орбите

Последняя строка в таблице 1.4 представляет уникальный тип орбиты. Экваториальная круговая орбита (наклонение i = 0°) с высотой орбиты 35875 км при условии, если направление движения спутника совпадает с направлени-

54

ем вращения Земли относительно своей оси (с запада на восток) называется геостационарной (ГО). Такая орбита является уникальной и единственной. Спутник, находясь на ней, будет казаться земному наблюдателю неподвижным. Подобный спутник называется геостационарным.

Геостационарная орбита. Достоинства геостационарной (GEO – Geostationary Earth Orbit) орбиты:

– непрерывная, круглосуточная связь без переходов с одного ИСЗ на дру-

гой;

–на антеннах ЗС можно упростить или даже исключить системы автоматического сопровождения ИСЗ;

–более стабильно ослабление сигнала на трассе между земной и космической станцией;

–становится весьма малым (почти отсутствует) частотный сдвиг, обусловленный эффектом Доплера;

–зона видимости геостационарного ИСЗ составляет около 1/3 земной поверхности.

Благодаря своим преимуществам ГО широко используется спутниками связи и на многих участках в наиболее удобных полосах частот насыщена спутниками до предела.

Недостатки геостационарных ИСЗ:

–очень трудно (почти невозможно) осуществлять связь с приполярными районами, расположенными на широтах выше 75 78°, т.к. углы места антенн ЗС малы ( < 5°), что приводит к затенению спутника местными предметами. Углы места на ГО уменьшаются также с удалением по долготе точки приема от долготы ИСЗ, поэтому для обслуживания приполярных районов геостационарный ИСЗ должен размещаться как можно ближе к центральной долготе обслуживаемой зоны;

–увеличиваются шумы антенной системы станции, создаваемые радиошумовым излучением Земли и шумы на входе приемников ЗС;

–отклонение от строгой экваториальности (наклонение i = 0°) вызывает колебания спутника по широте и долготе. На изменение орбиты ГО ИСЗ основное влияние оказывает то, что Земля сжата по экватору. Это приводит к периодическому "дрейфу" спутника вдоль экватора. Поля Луны и Солнца вызывают долгопериодическое изменение наклонения орбиты.

Изменение наклонения за год может составить 0,76 0,96° (в зависимости от астрономической даты). Уже через 1 2 года после запуска ИСЗ нестабильность наклонения спутника (его колебания около заданного значения) существенно влияет на работу системы связи: изменяет зону обслуживания, тре-

55

бует наведения антенн ЗС, вызывает периодическое сближение соседних ИСЗ и соответствующее увеличение взаимных помех между ними.

Регламент радиосвязи рекомендует, чтобы нестабильность положения геостационарных ИСЗ по долготе не превышала ± 0,1°. Для выполнения этих норм приходится периодически осуществлять коррекцию движения ИСЗ, сообщая ему необходимое по величине и направлению ускорение. Для этого на спутнике устанавливают специальные корректирующие двигатели [6].

Одним из важных достоинств геостационарной орбиты является возможность обеспечения значительной области обслуживания. Размеры области обслуживания ограничиваются следующими условиями:

1. В пределах области обслуживания угол возвышения, или, что то же самое, угол места антенн земных станций (угол между направлением на точку стояния ГСР и плоскостью местного горизонта) не должен быть менее не которого порогового значения мин, определяемого назначением сети. Малые углы возвышения приводят к возможности затенения ГСР местными предметами, окружающими ЗС, к увеличению потерь полезного сигнала в атмосфере и шумов антенной системы ЗС, обусловленных радио шумовым излучением Земли. Для сетей фиксированной спутниковой службы, в которых затенение можно исключить путем выбора места установки ЗС, угол у ограничивается снизу величиной 10°-12°. Для сетей же персональной подвижной службы угол возвышения ГСР над горизонтом должен быть не менее 30°.

2. В любой точке области обслуживания при заданных параметрах ЗС на линии связи должны обеспечиваться энергетические соотношения не хуже заданных.

Область земной поверхности, удовлетворяющая условию 1, называется областью видимости ГСР, а условию 2 – областью покрытия. Область обслуживания определяется пересечением областей видимости и покрытия.

Определим основные геометрические соотношения в ГССС. Расстояние d (дальность связи) между земной станцией с координатами зс (широта) и зс (долгота) и космической станции с точкой стояния на долготе кс равно

где Rз = 6375 км — радиус Земли;

H = 35875 км - высота ГО над поверхностью Земли. Угол возвышения ретранслятора над горизонтом

Угол обзора (геоцентрический угол) γ области видимости из точки стояния ГСР равен

В силу ряда причин минимальная величина угла возвышения антенны ЗС ограничивается значением мин = 10° 12°. Например, для мин = 11.5°, получим: = 70°, γ = 17°, d = 40500 км. Это соответствует диаметру области видимости около 15600 км и площади 190 млн. км2. На рис. 1.24 показаны области видимости геостационарного СР.

Рис. 1.24. – Области видимости ГСР

При увеличении мин размеры области видимости сокращаются. Так, например, при увеличении минимально допустимого угла возвышения от 11,5° до 30° диаметр области видимо уменьшается до 11300 км, а её площадь сокращается почти в два раза. Возможность обслуживания единственным ГСР огромных территорий является иным достоинством ГССС. В то же время проблематичность обслуживания высокоширотных областей является недостатком.

Границу области покрытия обычно определяют по пороговому минимально допустимому уровню мощности, излучаемой ретранслятором в её направлении. Часто в качестве указанного порогового значения выбирают уровень мощности, на 3 дБ меньший уровня в направлении максимального излуче-

57

ния. Контур области покрытия в основном определяется характеристиками бортовой передающей антенны и может быть сделан достаточно сложным.

Основные параметры низких и средних орбит. В последнее время воз-

рос интерес к использованию для связи спутников на низких и средних орбитах. Это вызвано меньшим затуханием сигналов на трассе Земля-спутник, что позволяет создать принципиально новый тип ССС - системы подвижной персональной связи с терминалом малых размеров.

Низкоорбитальная многоспутниковая система связи строится на основе группировки низкоорбитальных КС, обращающихся на круговых или эллиптических орбитах с высотой 700 15000 км [4, 6].

Параметры спутниковой системы существенно зависят от принципов её организации и строятся, как правило, по "принципу колец". Кольцо - это несколько спутников, движущихся на низких околоземных орбитах, находящихся в одной плоскости и образующих на поверхности Земли пояс связи.

Основные параметры орбитальной группировки:

1. Высота орбиты. Высота многих круговых орбит лежит в интервале от 700 до 1500 км. Это обусловлено следующими факторами. С одной стороны, на орбитах высотой менее 500 км плотность атмосферы относительно высока, что вызывает колебания эксцентриситета и постепенное снижение высоты апогея. Кроме того, уменьшение высоты орбиты ниже 700 км приводит к повышенному расходу топлива, увеличению частоты маневров для поддержания заданной орбиты.

С другой стороны, на высотах выше 1500 км располагается первый радиационный пояс Ван Аллена, в котором невозможна длительная работа электронной бортовой аппаратуры. Системы, использующие КС на таких орбитах (700-1500 км), иногда выделяют в отдельный класс, называемый LEO (Low Earth Orbit).

Следующий диапазон высот негеостационарных орбит лежит в пределах от 5000 до 15000 км, т.е. между первым и вторым поясами Ван Аллена. Системы, работающие на таких высотах называют MEO (Medium Earth Orbit). Полная задержка распространения сигналов через ретранслятор на высоте 10000 км составляет 130 мс, что приемлемо и позволяет использовать такие спутниковые группировки для радиотелефонной связи.

Системы LEO выигрывают в энергетических характеристиках радиолиний у систем МЕО, но проигрывают им в продолжительности активного существования КС. Дело в том, что при периоде обращения КС около 100 мин (характерном для низких высот), в среднем 30 мин приходится на теневую сторону Земли. Поэтому аккумуляторные батареи на борту ИСЗ испытывают приблизительно 5000 циклов зарядки/разрядки в год.

В таблице 1.5 приведены значения периода обращения спутников на низких и средних орбитах.

58

Как видно из таблицы 1.5, период обращения низкоороитальных ИСЗ с увеличением высоты орбиты почти вдвое возрастает незначительно, т.к. суммарное расстояние от центра Земли до ИСЗ мало изменяется.

Таблица 1.5. – Периоды обращения спутников

Для круговых орбит МЕО с высотой около 10000 км период обращения в 3 4 раза больше, чем у LEO и составляет 3 4 и до 6 часов, из которых только несколько минут КА проводит в тени Земли. В этом случае глубина циклов зарядки/разрядки и их частота в несколько раз меньше, что значительно облегчает работу бортовой системы электропитания и, в конечном итоге, увеличивает срок службы ИСЗ. С увеличением высоты орбиты также увеличивается зона обслуживания и требуется меньшее количество спутников в группировке для глобального охвата территории.

2. Наклонение орбиты. Наилучшим вариантом для глобального обслуживания является вывод КС на полярную орбиту (i = 90°). При этом для передачи данных достаточно одного спутника с запоминающим устройством на борту, а для глобального охвата нужна спутниковая группировка. Использование нескольких полярных орбитальных плоскостей сопряжено с опасностью столкновения спутников при прохождении через полюс.

Поэтому на практике используются околополярные орбиты с наклонением 80 86°. При выборе эллиптических орбит на величину наклонения накладываются существенные ограничения. Они вызваны тем, что из-за воздействия неоднородностей гравитационного поля Земли большая ось орбиты (ось аспид) испытывает вращение, что приводит к колебаниям широты подспутниковой точки в апогее. При использовании в НССС КС на эллиптических орбитах только два значения наклонения (63°26 и 116,6°) обеспечивают постоянство орбиты, как и для высокоэллиптических орбит.

1.7.1. Зоны обслуживания и число ИСЗ

Протяженность линии связи. Расстояние между ЗС и КС меняется во времени, поскольку ИСЗ движется и ЗС видит его на разных витках под разными углами места. Основные геометрические параметры трассы показаны на рис. 1.25 на основании упрощенных построений в плоскости, проходящей через центр Земли, точку установки ЗС - С, ИСЗ и подспутниковую точку Р.

59

ИСЗ

h

d

b

Р

С

g Rз

О

Рис. 1.25. – К определению геометрических параметров трассы

На рис. 1.25 обозначено: d – наклонная дальность; h – высота орбиты;

R3 = 6370 км – радиус Земли;

β - угол места для ЗС на границе зоны обслуживания; γ -геоцентрический угол.

Угол места определяется как угол между направлениями на горизонт и на ИСЗ. Геоцентрический угол определяется между радиусами ОС и ОР.

где φзс - географическая широта ЗС (имеет положительное значение для северного полушария и отрицательное - для южного);

φр - географическая широта подспутниковой точки Р;

∆ - разность между географической долготой подспутниковой точки и географической долготой ЗС, в градусах к востоку.

Наклонная дальность