Геостационарные спутники

В настоящее время самыми распространенными среди спутников связи являются геостационарные (GEO). Интересно, что первым, кто выдвинул идею использования таких спутников, был писатель-фантаст Артур Кларк, пославший в 1945 году статью на эту тему в журнал Wireless World. Идея заключалась в следующем: если спутник находится на круговой орбите на высоте 35 863 км над поверхностью Земли и движется в плоскости земного экватора, то угловая частота вращения такого спутника будет совпадать с угловой частотой вращения Земли и спутник все время будет находиться над одной и той же точкой на экваторе[2]. Такая орбита изображена на рис. 5 с соблюдением масштаба. На орбите показано множество символов, соответствующих спутникам, что также отражает реальную картину. На геостационарной орбите действительно находится довольно много спутников, некоторые из них расположены вплотную друг к другу.

Геостационарные орбиты имеют ряд преимуществ, которые выгодно отличают их от орбит других типов.

· Так как спутник не движется относительно Земли, то не возникает проблем с изменением частоты сигнала из-за относительного движения спутника и наземных антенн (обусловленного эффектом Доплера).

· Упрощается процедура отслеживания спутника с наземных станций.

· Спутник, находящийся на высоте 35 863 км над Землей, может связаться примерно с четвертой частью земной поверхности. Для того чтобы покрыть все населенные зоны Земли, исключая участки близ северного и южного полюсов, понадобится вывести на геостационарную орбиту всего три спутника, расположив их на расстоянии 120° друг от друга.

С другой стороны, есть и недостатки.

· После прохождения расстояния свыше 35 000 км сигнал может стать довольно слабым.

· Полярные области и приполярные участки северного и южного полушарий практически недоступны для геостационарных спутников.

Рис. 5. Геостационарная орбита (GEO)

Несмотря на то, что скорость света равна 300 000 км/с, задержка прохождения сигнала из точки на экваторе, расположенной под спутником, на спутник и обратно довольно существенна.

Задержка связи между двумя наземными абонентами, расположенными непосредственно под спутником, в действительности составляет (2´35863)/300000 = 0,24 с. Для других абонентов, не находящихся непосредственно под спутником, задержка связи еще больше. Если использовать спутниковую связь для телефонных переговоров, то суммарный интервал между завершением фразы одного абонента и ответом другого удваивается и получается равным примерно половине секунды. Такую задержку трудно заметить. Еще одним свойством геостационарных спутников является то, что выделенные для них частоты используются над очень большим участком поверхности Земли. Для многоточечных приложений, таких, как передача телевизионных программ, это даже к лучшему, однако, для двухточечной связи спектр частот геостационарного спутника будет использоваться очень неэкономно. Можно использовать специальные антенны с направленным и управляемым лучом, которые позволяют ограничить область, покрываемую сигналом спутника, и таким образом контролировать размеры области, в пределах которой принимается сигнал спутника. Для решения некоторых из перечисленных проблем были разработаны другие типы орбит. Для персональных устройств связи третьего поколения важную роль играют спутники на низких околоземных орбитах (LEOS) и спутники на средних околоземных орбитах (MEOS).

а) б)

Рис. 6. Орбиты низких и средних околоземных спутников

а) Околоземная орбита: часто — полярная орбита на высоте 500-1500 км

б) Средняя околоземная орбита: наклонена к экватору, высота 5000-12000 км