На какой высоте летают спутники и космические корабли. "фотометрия исз" Период обращения геостационарного спутника
Полярные орбиты имеют наклонение i ≈ 90°, т.е плоскости орбиты ИСЗ и земного экватора образуют угол 90°.
(О xyz ) – инерциальная (звездная) СК
О – центр масс Земли
ИСЗ, имеющие номерную орбиту, могут быть использованы для решения геодезических задач в любой точке земной поверхности.
Такие виды орбит применяются для глобальных спутниковых систем.
Существуют определенные трудности с реализацией полярных орбит, т.к выведение спутников на такие орбиты требует значительных энергетических задач.
11.2. Экваториальные орбиты
Экваториальные орбиты имеют наклонение i ≈ 0°, т.е плоскости орбиты ИСЗ и земного экватора практически совпадают.
Спутники, находящиеся на таких орбитах, не могут быть использованы на орбитах с большим значением широт.
11.3. Круговые орбиты
У круговых орбит e ≈ 0.
Такие орбиты удобны для РТС, т.к передаваемый (принимаемый) радиус-сигнал примерно одинаков для любых наземных пунктов.
11.4. Стационарные орбиты
У стационарных орбит i ≈ 0°, т.е это круговые экваториальные орбиты.
Период вращения спутников на таких орбитах ≈ 24 ч поэтому ИСЗ, который находится на стационарной орбите, будет не подвижен относительно поверхности Земли.
Такие ИСЗ называются геостационарными (геостационарами) орбиты так же называются геостационарными.
Большая полуось, а ≈ 41 600 км, поэтому минимальное удаление ИСЗ от Земли примерно 35 500 км
11.5. Солнечно – синхронные орбиты.
ИСЗ, имеющие такую орбиту пролетают над одним и тем же участком Земли, в одно и то же время суток. Это св-во применяется для дистанционного изучения поверхности Земли.
11.6. Орбиты спутников связи
Орбиты
спутников связи имеют большие
эксцентриситеты и большую полуось.
Апогей орбиты (α) располагается в том
полушарии, территорию которого обслуживает
данный ИСЗ. В рабочем полушарии
длительностью работы спутника максимальна,
т.к здесь максимальная длина орбитальной
Земли и минимальная скорость перемещения
спутника по орбите.
12.1 СРНС ЦИКАДА
Система состоит из сегментов: космического и наземного.
Эфемереда – таблица пространственных координат подвижного объекта, например ИСЗ, представляет из себя таблицу вида:
Космический сегмент состоит из 24 спутников, находящихся в 6 орбитальных плоскостях. Наклонение орбиты i = 55° - орбиты круговые, период обращения спутника – 12 часов. Среднее расстояние спутников от поверхности Земли примерно 26 500 км.
Система организована таким образом, что в зоне радиовидимости наблюдателя находится не менее 4 спутников. Каждый спутник излучает радио – навигационные сообщения на 2 частотах (1.6 ГГц – основная частота или частота несущего колебания) и 1.2 ГГц. При работе на 2 частотах можно существенно (практически довести до 0 влияние ионосферной рефракции).
Атмосфера Земли представляется (в основном) в виде 2х – слойной модели: нижний слой – тропосфера (от 0 до 60 км), ионосфера (от 60 до 20 000 км). Показатель преломления в тропосфере зависит от температуры, давления и влажности. Для этого слоя существуют математические модели, которые достаточно хорошо учитывают тропосферную рефракцию.
Тропосферная рефракция искажает длину траектории распространения электро-магнитной волны до 28 м. современные модели позволяют учесть эту рефракцию до 0,1%.
Показатель преломления ионосферы зависит от плотности электронной концентрации.
СРНС NAVSTAR позволяет выполнять навигационные определения в режиме реального времени.
СРНС ГЛАНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система). Страна разработчик – Россия. 2008 г – начало работы.
Число спутников – 24. Число орбитальных плоскостей – 3. Наклонение орбиты примерно 65°. Орбиты круговые. Период обращения примерно 12 часов. Среднее расстояние от Земли до спутника около 25 500 км.
Траектории движения искусственных космических аппаратов отличаются от орбит естественных небесных тел: дело в том, что в первом случае присутствуют так называемые «активные участки». Это те участки орбиты спутников , на которых они двигаются, включив реактивный двигатель. Таким образом, вычисление траектории движения космических аппаратов – сложная и ответственная задача, занимаются которой специалисты в области астродинамики .
Каждая спутниковая система обладает определенным статусом, зависящим от назначения спутника, его размещения, охвата обслуживаемой территории, принадлежности как самого космического аппарата, так и наземной станции, принимающей его сигналы. В зависимости от статуса, спутниковые системы бывают:
- Международные (региональные или глобальные);
- Национальные;
- Ведомственные.
Кроме того, все орбиты подразделяются на геостационарные и негеостационарные (в свою очередь, делящиеся на LEO – низкоорбитальные, MEO – средневысотные и HEO – эллиптические). Рассмотрим эти классы подробнее.
Геостационарные спутниковые орбиты
Этот тип орбиты используется для размещения космических аппаратов чаще всего, ведь он обладает существенными преимуществами: возможна непрерывная круглосуточная связь, а сдвиг частоты практически отсутствует. Геостационарные спутники располагаются на высоте около 36000 км над поверхностью Земли и двигаются со скоростью ее вращения, как бы «зависая» над определенной точкой экватора, «подспутниковой точкой». Однако, на самом деле, положение такого спутника не неподвижно: он испытывает некоторый «дрейф» из-за ряда факторов, как следствие – орбита слегка смещается со временем.
Как уже отмечалось, геостационарный спутник практически не требует перерывов в работе, так как отсутствует взаимное перемещение космического аппарата и его наземной станции. Система, состоящая из трех спутников этого типа, способна обеспечить охват почти всей земной поверхности.
Вместе с тем, такие системы не лишены и определенных недостатков, главный из которых – некоторая задержка сигнала. Поэтому спутники на геостационарных орбитах применяются чаще всего для осуществления радио- и телевещания, в которых задержки в обоих направлениях 250 мс не сказываются на качестве сигнала. Существенно более ощутимыми оказываются задержки в системе радиотелефонной связи (с учетом обработки сигнала в наземных сетях, суммарное время уже примерно 600 мс). Кроме того, зона охвата подобных спутников не включает высокоширотные районы (свыше 76,50° с.ш . и ю.ш .), то есть действительно глобальный охват не гарантируется.
В связи с бурным развитием спутниковой связи, в последнее десятилетие на геостационарной орбите стало «тесно», а с размещением новых аппаратов возникают проблемы. Дело в том, что, в соответствии с международными нормами, на околоэкваториальной орбите можно разместить не более 360-ти спутников, иначе будут возникать взаимные помехи.
Средневысотные орбиты спутников
Спутниковые системы этого типа начали разрабатывать компании, занимающиеся изначально выпуском геостационарных космических аппаратов. Средневысотная орбита обеспечивает более качественные показатели связи для подвижных абонентов, так как каждый пользователь мобильной связью оказывается в поле достижения одновременно нескольких спутников; суммарная задержка – не более 130 мс.
Местоположение негеостационарного спутника ограничено так называемыми радиационными поясами Ван-Аллена, пространственными поясами заряженных частиц, которые были «захвачены» магнитным полем Земли. Первый из устойчивых поясов высокой радиации находится примерно на высоте 1500 км от поверхности планеты, его размах – несколько тысяч километров. Второй пояс – с такой же высокой интенсивностью (10 000 имп ./с), находится в пределах 13000–19000 км от Земли.
Своеобразная «трасса» для средневысотных спутников располагается между первым и вторым радиационными поясами, то есть на высоте 5000–15000 км. Эти аппараты слабее геостационарных, поэтому для полного покрытия поверхности Земли необходима орбитальная группа из 8-12 спутников (например, Spaceway NGSO, ICO, «Ростелесат »); каждый спутник находится в зоне радиовидимости наземной станции недолго, примерно 1,5-2 ч.
Низкие круговые орбиты спутников
Спутники на низких орбитах (700-1500 км) обладают некоторыми преимуществами перед другими космическими аппаратами по энергетическим характеристикам, однако, проигрывают в длительности сеансов связи, а также общем сроке службы. Период обращения спутника, в среднем, составляет 100 мин, при этом примерно 30% этого времени он пребывает на теневой стороне планеты. Аккумуляторные бортовые батареи способны испытать в год около 5000 циклов зарядки/разрядки, как результат – срок их работы не превышает 5-8 лет.
Выбор подобного диапазона высот для низкоорбитальных спутниковых систем неслучаен. На высоте менее 700 км относительно высокая плотность атмосферы, что вызывает «деградацию» орбиты – постепенное отклонение от курса, для его сохранения требуются повышенные затраты топлива. На высоте же 1500 км начинается первый пояс Ван-Аллена, в зоне радиации которого практически невозможна работа бортовой аппаратуры.
Однако в связи с низкой высотой орбиты, для охвата всей территории Земли требуется орбитальная группировка из не менее чем 48 космических аппаратов. Период вращения на этих орбитах – 90 мин-2 ч, при этом максимальное время пребывания спутника в зоне радиовидимости – всего 10-15 мин.
Эллиптические орбиты
Эллиптические орбиты спутников Земли являются синхронными, то есть, будучи выведенными на орбиту, они вращаются со скоростью планеты, а период обращения кратен суткам. В настоящее время используется несколько типов подобных орбит: Archi-medes , Borealis , «Тундра»,«Молния».
Скорость эллиптического спутника в апогее (при достижении вершины «эллипса») ниже, чем в перигее, поэтому в этот период аппарат может находиться в зоне радиовидимости определенного региона дольше, чем спутник с круговой орбитой. Сеансы связи, к примеру, у «Молнии» длятся 8-10 ч, а система из трех спутников способна поддерживать круглосуточную глобальную связь.
Искусственные спутники Земли (ИСЗ) представляют собой выведенные на орбиты Земли КА. Орбиты ИСЗ различаются:
- формой : круговая и эллиптическая;
- наклоном по отношению к плоскости экватора (рис. 2.38): 1 - экваториальные (угол наклона к плоскости экватора равен нулю), 2 - полярные (угол наклона равен 90"), 3, 4 - наклонные;
- направлением вращения : 3 - прямые (направление совпадает с вращением Земли), 4 - обратные (противоположны вращению Земли);
- высотой над поверхностью Земли : низкоорбитальные (с высотой перигея 200 - 400 км), высокоорбитальные (с высотой перигея более 1000 км), геостационарные (с радиусом круговой орбиты около 42160 км и расстоянием от поверхности Земли 35880 км).
Рис. 1.1. Орбиты искусственных спутников Земли:
1 - экваториальная; 2 - полярная; 3 - наклонная (прямая); 4 - наклонная (обратная)
Геостационарные ИСЗ имеют экваториальную прямую орбиту, что позволяет им постоянно находиться над определенной точкой экватора Земли.
Движение ИСЗ рассматривается в гравитационном поле Земли. На движение спутников и их орбиту оказывают влияние ряд возмущающих факторов:
Нецентральность (несферичность) гравитационного поля Земли;
Гравитационные поля Луны, Солнца и других небесных тел;
Аэродинамические силы, создаваемые атмосферой Земли (особенно для низкоорбитальных спутников).
Орбиты лунных и межпланетных КА
Полет КА к Луне и другим планетам солнечной системы требует рассмотрения движения КА в пространстве двух или более притягивающих центров. Для такого полета КА должна быть сообщена скорость, превышающая вторую космическую. Поэтому траектория на определенном участке становится близкой к гиперболической с фокусом в центре Земли (либо соответствующей пролетной планеты).
Траектория движения КА к Луне или планете обычно состоит из нескольких участков (в зависимости от поставленной задачи: посадки, облета или пролета):
Выведение КА и разгонной ступени на промежуточную орбиту спутника Земли;
Разгон КА с помощью разгонной ступени до скорости, достаточной для перелета к Луне или соответствующей планете;
Движение КА в окрестности Луны или планеты назначения с совершением посадки либо переходом на орбиту искусственного спутника, либо пролетом «а определенном расстоянии от поверхности. В последнем случае формируется новая траектория для полета к следующей планете либо для возвращения КА на Землю.
В рамках задачи Кеплера спутник движется в плоскости орбиты, проходящей через центр Земли. В так называемой абсолютной или звездной системе координат плоскость орбиты неподвижна. Абсолютная система-это декартова система координат с началом в центре Земли, неподвижная относительно звезд. Ось Z нaпpaвлeнa вдоль оси вращения Земли и указывает на север, ось X направлена на точку весеннего равноденствия, в которой находится Солнце 21 марта в 0 ч по всемирному времени, а ось Y перпендикулярна осям X и Z
Рис. 3. Элементы орбиты носителя съемочной аппаратуры
Выделяют два вида орбит: по отношению к Солнцу – cолнечно-синхронные и к Земле – геостационарную.
Орбиты подразделяют по величине наклона, направлению, периоду вращения и высотам полета космического летательного аппарата. Орбиты с перигеем 500 км, апогеем 71000 км и периодом обращения 24 часа называют геосинхронными.
По значению наклона орбиты подразделяют на: экваториальные, наклонные и полюсные (или полярные)
Экваториальная орбита, величина угла наклона орбиты (i=0°) космический летательный аппарат пролетает над экватором, и если высота аппарата над поверхностью Земли постоянна и равна Н=35786 км, то период обращения КЛА и период обращения Земли совпадут.
При угле наклона орбиты (i=180°), то КЛА вращается в противоположном направлении
КЛА, перемещаясь по орбите в направлении, совпадающем с направлением вращения Земли, будет как бы висеть над поверхностью Земли, находясь все время над одной и той же точкой планеты эта орбита называется геостационарной .
Орбиты наклонные,
делятся на прямые и обратные, их траектория проектируется на поверхность Земли в пределах широт -i<
φ
< i.
Прямой спутник движется с запада на восток, его орбита имеет наклонение 0
а) б) в)
Рис. 4. а - общий случай орбиты спутника с наклонением 0° < "i" < 90°., б)- экваториальная орбит, в) - полярная орбита
Орбиты, проходящие над Северным и Южным полюсами Земли, и располагающие перпендикулярно экватору называют полярными (полюсными) . Полярные КЛА (i=90°) , субполярные (i~90°)) могут наблюдаться в любой точке земной поверхности. Вследствие вращения Земли проекция траектории полюсного КЛА на поверхность планеты при каждом новом обороте перемещается к западу. На данной орбите работает сеть спутниковой телефонии, наклонение 86,4 градусов и высота 780 км.
Орбиты спутников из-за гравитационного возмущения со стороны других планет, давления солнечного излучения, несферической формы Земли, ее магнитного поля и атмосферы заметно меняются во времени. Поэтому в ходе эксплуатации спутника регулярно проводятся траекторные измерения, и при необходимости его орбита корректируется.
Высота орбиты- это расстояние от спутника до поверхности Земли. Высота орбиты существенно влияет на результаты ДЗЗ. От нее зависят такие характеристики изображения, как полоса обзора и пространственное разрешение. Чем выше спутник находится над поверхностью Земли, тем больше потенциальная полоса обзора и тем ниже пространственное разрешение.
По высотам полета КЛА делятся до 500 км, от 500 до 2000 км, от 36000 до 40000 км. На высоты до 500 км – околоземные орбиты, запускают космические корабли, орбитальные станции и другие КЛА, обеспечивающие возможность детальной съемки в течение относительно короткого времени. До 2000 км от Земли- орбиты искусственных спутников Земли, запускают метеорологические, геодезические, астрономические спутники и другие ИСЗ.
На больших высотах от 36000 до 40000 км – орбиты геостационарных спутников, предназначенные для целей связи, для прослеживания земной поверхности и облачных образований.
Пилотируемые полеты совершаются не выше 600 км, т. к., радиационные пояса, окружающие нашу планету создают опасность для жизни космонавтов. Максимальная интенсивность облучения достигается на высоте около 3000 км.
Самые высокие околоземные орбиты, околосолнечные, лежат на высоте 1,5 миллиона км.
На низкоорбитальных орбитах проходят правительственные и коммерческие системы спутников связи. Для военных спутников-разведчиков высота примерно 150 км (низкоорбитальная) разрешение съемки 10-30 см. Среднеорбитальными ИСЗ обычно считаются спутники с высотами от 2000 км до 35786 км (рис. 5).
Рис. 5. Низкоорбитальные ИСЗ (а) и среднеорбитальные ИСЗ (б).
Для глобальной системы связи на геостационарных орбитах достаточно трех спутников, на орбитах средней высоты (5000-15 000 км) требуется уже от 8 до 12 космических аппаратов, для высот 500-2000 км нужно более 50 спутников.
Если наклонение "i" орбиты равно нулю, то такие орбиты геостационарные (рис. 6,а), не равно нулю, то такие ИСЗ называются геосинхронными (положение относительно Земли рис. 6, б ), солнечно-синхронные орбиты (гелиосинхронные) имеют постоянную ориентацию относительно Солнца.
Ценность солнечно-синхронных орбит состоит в том, что, двигаясь по ней, спутники пролетает над земными объектами всегда в одно и то же время суток, что важно для проведения космической съемки.
Рис. 6. Геостационарный (а) и геосинхронный (б) ИСЗ.
Благодаря близости к полярным орбитам с них можно следить за всей земной поверхностью, что важно для метеорологических, картографических и разведывательных спутников, которые называют спутниками дистанционного зондирования Земли.
Гражданские спутники дистанционного зондирования Земли обычно работают на высотах 500-600 км с разрешением съемки 1 м.
При глобальном метеорологическом мониторинге спутники обычно размещают на геостационарной или высокой солнечно-синхронной, а при региональном – на орбите сравнительно-небольшой высоты (500-1000 км) с наклонением, позволяющим регулярно проводить съемку выбранного района.
Так с геостационарной орбиты можно обозревать значительную часть земной поверхности, ее «заселяют» не только аппараты связи и метеоспутники, но и системы предупреждения о ракетном нападении. Согласно международной конвенции по мирному использованию космического пространства при ООН, и требованиям международного радиочастотного комитета, во избежание радиопомех, угловое расстояние между геостационарными спутниками не должно быть менее 0.5°. Теоретически количество cпутников, находящихся на безопасном расстоянии на геостационарных орбитах, должно быть не более 720 штук. В последнее десятилетие это расстояние между ГСС не выдерживается.
Параметры орбиты для спутниковых навигационных систем:
ГЛОНАСС – 19 100 км с наклонением около 64 градус (рис. 7);
Рис. 7 Группировка спутников ГЛОНАСС
GPS (США), Galileo (Европа), Бэйдоу (Китай) – спутниковые группировки располагаются на круговых орбитах высотой 20 000- 23 500 км с наклонением 55-56 градусов.
Рис.8. Группировка спутников GPS
Спутник, движущийся в земной атмосфере, испытывает аэродинамическое торможение, зависящее от плотности атмосферы на высоте Полета, от скорости спутника, площади его поперечного сечения и массы. Возмущение орбиты за счет аэродинамического торможения содержит регулярную и нерегулярную составляющие. К регулярным возмущениям приводит суточный эффект (ночью, т.е. в конусе земной тени, Плотность атмосферы на данной высоте меньше, чем днем). Движение воздушных масс, влияние потоков заряженных частиц, выбрасываемых солнцем, приводят к нерегулярным возмущениям. Для природоведческих спутников сопротивление атмосферы играет заметную роль только при низких орбитах; при высоте перигея более 500-600 км возмущающее ускорение от неравномерности распределения масс превышает на два порядка и более ускорение от торможения в атмосфере.
При высоте перигея от 500-600 до нескольких тысяч километров к основному возмущающему фактору добавляется давление солнечного света (вместо сопротивления атмосферы). Влияние этого давления проявляется в дополнительных малых периодических возмущениях элементов орбиты. Если же спутник движется так, что регулярно попадает в конус земной тени, то имеют место также и небольшие постоянные изменения элементов. Но ускорение за счет давления света на несколько порядков меньше возмущающего ускорения за счет основного фактора. Еще слабее влияние притяжения Луны и Солнца
Форма Земли – это геоид, полярный радиус которого R П = 6356,8 км, а экваториальный - R Э = 6378,2 км, т.е. экваториальный радиус больше полярного на 21,4 км. Из-за несферичности Земли, плоскость орбиты медленно поворачивается вокруг земной оси в направлении, противоположном вращению ИСЗ (рис. 9).
 |
| Рис. 9. Прецессия орбиты ИСЗ |
Этот процесс называется абсолютной прецессией. За счёт прецессии орбита спутника может смещаться с угловой скоростью до 9°/сутки, а за счёт поворота эллиптической орбиты - до 15°/сутки. Величина абсолютной прецессии, зависящая от наклонения орбиты, высоты полета, радиуса Земли за сутки составляет [Новаковский]
Солнечная прецессия возникает в связи с тем, что за одни звездные сутки, равные 23 h 53 m , Земля поворачивается вокруг своей оси на 360° + 0,9856°.
Cкорость космических летательных аппаратов.
Для искусственного спутника Земли, движущегося у самой поверхности Земли, т.е. когда высота точки орбиты H =0, а любое расстояние r от центра Земли, равно среднему радиусу Земли, r о = 6371 км, круговая скорость будет равна 7,91 км/с.
В связи с влиянием на движение КЛА сопротивления атмосферы круговая орбита вблизи Земли неосуществима.
Скорость КЛА на высоте 200 км над Землей, равная 7,79 км/с т.е. минимальная скорость аппарата движущееся горизонтально над поверхностью планеты по круговой орбите и необходимая для выведения его на геоцентрическую орбиту называется первой космической скоростью (кругова́я ско́рость). Данную скорость берут для расчета интервала фотографирования при выполнении космических съемок, определения геометрического сдвига изображения и др.
Втора́я косми́ческая ско́рость (параболи́ческая ско́рость, ско́рость освобожде́ния, ско́рость убега́ния) - минимальная скорость, которую необходимо придать космическому аппарату, масса которого пренебрежимо мала по сравнению с массой небесного тела (например, планеты), для преодоления гравитационного притяжения этого небесного тела и покидания замкнутой орбиты вокруг него.
Вторая космическая скорость своя для каждого небесного тела (для каждой планеты) и является его характеристикой. Для Земли вторая космическая скорость равна 11,2 км/с. Тело, имеющее около Земли такую скорость, покидает окрестности Земли и становится спутником Солнца. Для Солнца вторая космическая скорость составляет 617,7 км/с.
Минимальная скорость, которую необходимо придать находящемуся вблизи поверхности Земли телу, для преодоления гравитационного притяжение Земли и Солнца и уйти за пределы Солнечной системы называют тре́тьей косми́ческой ско́ростью.
Минимально необходимая скорость тела, позволяющая преодолеть притяжение галактики в данной точке называется четвёртой косми́ческой ско́ростью.
Что собой представляет геостационарная орбита? Это круговое поле, которое расположилось над экватором Земли, по нему искусственный спутник обращается с угловой скоростью вращения планеты вокруг оси. Он не изменяет свое направление в горизонтальной системе координат, а неподвижно висит в небе. Геостационарная орбита Земли (ГСО)представляет собой разновидность геосинхронного поля и применяется для размещения коммуникационных, телетрансляционных и других спутников.
Идея использования искусственных аппаратов
Само понятие геостационарной орбиты инициировано русским изобретателем К. Э. Циолковским. В своих работах он предлагал заселить космос с помощью орбитальных станций. Зарубежные ученые также описывали работы космических полей, например, Г. Оберт. Человеком, который развил концепцию использования орбиты для связи, является Артур Кларк. Он в 1945 году поместил статью в журнале «Wireless World», где описал преимущества работы геостационарного поля. За активный труд в данной области в честь ученого орбита получила свое второе название - «пояс Кларка». Над проблемой осуществления качественной связи думали многие теоретики. Так, Герман Поточник в 1928 году высказал мысль о том, как можно применять геостационарные спутники.
Характеристика «пояса Кларка»
Чтобы орбита была названа геостационарной, она должна отвечать ряду параметров:
1. Геосинхронность. К такой характеристике относится поле, которое имеет период, соответствующий периоду обращения Земли. Геосинхронный спутник заканчивает оборот вокруг планеты за сидерический день, который равен 23 часам 56 минутам и 4 секундам. То же время необходимо Земле для выполнения одного оборота в фиксированном пространстве.
2. Для поддержания спутника на определенной точке геостационарная орбита должна быть круговой, с нулевым наклонением. Эллиптическое поле приведет к смещению либо к востоку, либо к западу, так как аппарат движется в определенных точках орбиты по-разному.
3. «Точка зависания» космического механизма должна находиться на экваторе.
4. Расположение спутников на геостационарной орбите должны быть таким, чтобы небольшое количество частот, предназначенных для связи, не привело к наложению частот разных аппаратов при приеме и передаче, а также для исключения их столкновения.
5. Достаточное количество топлива для поддержания неизменного положения космического механизма.
Геостационарная орбита спутника уникальна тем, что только при сочетании ее параметров можно добиться неподвижности аппарата. Еще одной особенностью является возможность видеть Землю под углом в семнадцать градусов из расположенных на космическом поле спутников. Каждый аппарат отхватывает примерно одну третью часть поверхности орбиты, поэтому три механизма способны обеспечить охват почти всей планеты.
Искусственные спутники
Спутники запускались многими странами и компаниями. Первый в мире искусственный аппарат был создан в СССР и полетел в космос 4 октября 1957 года. Он носил имя «Спутник-1». В 1958 году США запустила второй аппарат - «Эксплорер-1». Первый спутник, который был выведен NASA в 1964 году, носил имя Syncom-3. Искусственные аппараты в основном невозвратные, но есть те, которые возвращаются частично или полностью. Их используют для проведения научных исследований и решения различных задач. Так, существуют военные, исследовательские, навигационные спутники и другие. Также запускаются аппараты, созданные сотрудниками университетов или радиолюбителями.
«Точка стояния»
Геостационарные спутники располагаются на высоте 35786 километров над уровнем моря. Такая высота обеспечивает период обращения, который соответствует периоду циркуляции Земли по отношению к звездам. Искусственный аппарат неподвижен, поэтому его местоположение на геостационарной орбите называется «точкой стояния». Зависание обеспечивает постоянную длительную связь, однажды сориентированная антенна всегда будет направлена на нужный спутник.
Передвижение
Спутники можно переводить с низковысотной орбиты на геостационарную с помощью геопереходных полей. Последние представляют собой эллиптический путь с точкой на низкой высоте и пиком на высоте, которая близка к геостационарному кругу. Спутник, который стал непригодным для дальнейшей работы, отправляется на орбиту захоронения, расположенную на 200-300 километров выше ГСО.
Высота геостационарной орбиты
Спутник на данном поле держится на определенном расстоянии от Земли, не приближаясь и не удаляясь. Он всегда находится над какой-либо точкой экватора. Исходя из данных особенностей следует вывод, что силы гравитации и центробежная сила уравновешивают друг друга. Высота геостационарной орбиты рассчитывается методами, в основе которых лежит классическая механика. При этом учитывается соответствие гравитационных и центробежных сил. Значение первой величины определяется с помощью закона всемирного тяготения Ньютона. Показатель центробежной силы рассчитывается путем произведения массы спутника на центростремительное ускорение. Итогом равенства гравитационной и инертной массы является заключение о том, что высота орбиты не зависит от массы спутника. Поэтому геостационарная орбита определяется только высотой, при которой центробежная сила равна по модулю и противоположна по направлению гравитационной силе, создающейся притяжением Земли на данной высоте.
Из формулы расчета центростремительного ускорения можно найти угловую скорость. Радиус геостационарной орбиты определяется также по этой формуле либо путем деления геоцентрической гравитационной постоянной на угловую скорость в квадрате. Он составляет 42164 километра. Учитывая экваториальный радиус Земли, получаем высоту, равную 35786 километрам.
Вычисления можно провести другим путем, основываясь на утверждении, что высота орбиты, представляющая собой удаление от центра Земли, с угловой скоростью спутника, совпадающей с движением вращения планеты, рождает линейную скорость, которая равна первой космической на данной высоте.
Скорость на геостационарной орбите. Длина
Данный показатель рассчитывается путем умножения угловой скорости на радиус поля. Значение скорости на орбите равно 3,07 километра в секунду, что намного меньше первой космической скорости на околоземном пути. Чтобы уменьшить показатель, необходимо увеличить радиус орбиты более чем в шесть раз. Длина рассчитывается произведением числа Пи на радиус, умноженным на два. Она составляет 264924 километра. Показатель учитывается при вычислении «точек стояния» спутников.
Влияние сил
Параметры орбиты, по которой обращается искусственный механизм, могут изменяться под действием гравитационных лунно-солнечных возмущений, неоднородности поля Земли, эллиптичности экватора. Трансформация поля выражается в таких явлениях, как:
- Смещение спутника от своей позиции вдоль орбиты в сторону точек стабильного равновесия, которые носят название потенциальных ям геостационарной орбиты.
- Угол наклона поля к экватору растет с определенной скоростью и достигает 15 градусов один раз за 26 лет и 5 месяцев.
Для удержания спутника в нужной «точке стояния» его оснащают двигательной установкой, которую включают несколько раз в 10-15 суток. Так, для восполнения роста наклонения орбиты используют коррекцию «север-юг», а для компенсации дрейфа вдоль поля - «запад-восток». Для регулирования пути спутника в течение всего срока его работы необходим большой запас топлива на борту.
Двигательные установки
Выбор приспособления определяется индивидуальными техническими особенностями спутника. Например, химический ракетный двигатель имеет вытеснительную подачу топлива и функционирует на долго хранимых высококипящих компонентах (диазотный тетроксид, несимметричный диметилгидразин). Плазменные устройства имеют существенно меньшую тягу, но за счет продолжительной работы, которая измеряется десятками минут для единичного передвижения, способны значительно снизить потребляемое количество топлива на борту. Такой тип двигательной установки используется для маневра перевода спутника в другую орбитальную позицию. Основным ограничивающим фактором срока службы аппарата является запас топлива на геостационарной орбите.
Недостатки искусственного поля
Существенным пороком во взаимодействии с геостационарными спутниками являются большие запоздания в распространении сигнала. Так, при скорости света 300 тысяч километров в секунду и высоте орбиты 35786 километров движение луча «Земля - спутник» занимает около 0,12 секунды, а «Земля - спутник - Земля» - 0,24 секунды. Учитывая задержку сигнала в аппаратуре и кабельных системах передач наземных служб общее запоздание сигнала «источник - спутник - приемник» достигает примерно 2-4 секунд. Такой показатель существенно затрудняет применение аппаратов на орбите в телефонии и делает невозможным использование спутниковой связи в системах реального времени.
Еще одним недостатком является невидимость геостационарной орбиты с высоких широт, что мешает проводимости связи и телетрансляций в районах Арктики и Антарктиды. В ситуациях, когда солнце и спутник-передатчик находятся на одной линии с приемной антенной, наблюдается уменьшение, а порой и полное отсутствие сигнала. На геостационарных орбитах за счет неподвижности спутника такое явление проявляется особенно ярко.
Эффект Допплера
Этот феномен заключается в изменении частот электромагнитных вибраций при взаимном продвижении передатчика и приемника. Явление выражается изменением расстояния во времени, а также движением искусственных аппаратов на орбите. Эффект проявляется как малоустойчивость несущей частоты колебаний спутника, которая прибавляется к аппаратурной нестабильности частоты бортового ретранслятора и земной станции, что осложняет прием сигналов. Эффект Допплера содействует изменению частоты модулирующих вибраций, что невозможно контролировать. В случае, когда на орбите используются спутники связи и непосредственного телевизионного вещания, данное явление практически устраняется, то есть не наблюдается изменений уровня сигналов в точке приема.
Отношение в мире к геостационарным полям
Космическая орбита своим рождением создала много вопросов и международно-правовых проблем. Их решением занимается ряд комитетов, в частности, Организация Объединенных Наций. Некоторые страны, расположенные на экваторе, предъявляли претензии на распространение их суверенитета на находящуюся над их территорией часть космического поля. Государства заявляли, что геостационарная орбита представляет собой физический фактор, который связан с существованием планеты и зависит от гравитационного поля Земли, поэтому сегменты поля являются продолжением территории их стран. Но такие притязания были отвергнуты, так как в мире существует принцип неприсвоения космического пространства. Все проблемы, связанные с работой орбит и спутников, разрешаются на мировом уровне.
