Орбиты спутников связи

Орбита - это траектория движения ИСЗ в пространстве. В систе-мах связи могут использоваться ИСЗ, движущиеся по орбитам, которые отличаются следующими параметрами: формой (круговая или эллиптическая); высотой над поверхностью Земли H или расстоянием от центра Земли; наклонением, т.е. углом i между экваториальной плоскостью и плоскостью орбиты. В зависимости от выбранного угла i орбиты подразделяются на экваториальные (i = 0), полярные (i = 90°) и наклонные (0 << i < 90˚). Эллиптические орбиты, кроме того, характеризу-ются апогеем и перигеем, т.е. расстояниями от Земли соответственно до наиболее удаленной и до ближайшей точки орбиты.

Движение ИСЗ определяется законом Кеплера, причем для точных расчетов орбиты спутника должно учитываться не только притяжение Земли, но и поля тяготения других небесных тел (Луны, Солнца и других планет).

Особый интерес представляет геостационарная орбита - кру­говая орбита, находящаяся в экваториальной плоскости (i = 0) и удаленная от поверхности Земли на расстояние около 36 000 км. Если запустить ИСЗ на такую орбиту, то период обращения спутника вокруг Земли будет равен 24 часам, т.е. периоду обращения Земли вокруг своей оси. При условии совпадения направления вращения Земли с направлением движения спутника по орбите такой спутник будет казаться неподвижным относительно земного наблюдателя, т.е. стационарным относительно Земли (геостационарным). В действительности спутник, математически точно запущенный на геостационарную орбиту (ГСО), не остается неподвижным, а из-за эллиптичности Земли, действия возмущающих внешних сил медленно уходит из заданной точки и совершает периодические (суточные) колебания по долготе и широте. Поэтому на ИСЗ должна быть система автоматической стабилизации и удержания его в заданной точке ГСО. Это следствие является очень важным, так как позволяет осуществлять через ИСЗ круглосуточные радиосвязь и радио- и ТВ вещание и использовать земные приемные установки с простыми неподвижными антеннами, не требующими автоматического наведения на ИСЗ. Зона видимости одного геостационарного ИСЗ охватывает почти треть поверхности Земли, однако полярные районы, находящиеся выше 75-78° северной и южной широт, обслуживаются плохо, так как ИСЗ виден в этих районах под малыми углами с земной поверхности. Это вызывает дополнительное ослабление сигналов в атмосфере Земли, повышенный уровень шумов и ухудшение условий приема из-за отражений сигнала от поверхности Земли и местных предметов.

В настоящее время на ГСО находятся несколько сотен ИСЗ связи и вещания, что приводит к необходимости международного регулиро-вания и координации использования этой орбиты во избежание взаимных помех между различными системами связи. В нашей стране на ГСО в настоящее время находятся ИСЗ типа "Горизонт", "Экран", "Экспресс", "Галс".

В ближайшее время планируется запуск на ГСО спутников новой спутниковой системы связи "Ямал". Группа ИСЗ "Ямал-100" будет работать по принципу ФСС, а спутники "Ямал-300" будут использоваться для РВСС. Спутниковая система "Ямал" создается для обслуживания газопроводов, создания систем служебной связи, мониторинга земной поверхности и выполнения других специальных функций. Однако около половины связного потенциала будет представлено для решения социальных задач, т.е. для телевизионного вещания.

Для сравнения следует отметить, что если суточные угловые перемещения ИСЗ "Горизонт" на орбите составляют 1˚, ИСЗ "Галс" - 0,2°, то у спутников типа "Ямал" составят всего 0,1°. Недостаточно совершенная система позиционирования ИСЗ "Горизонт" требует дополнительной системы автоматического слежения антенн на ЗС. Для более совершенных ИСЗ типа "Галс" или "Ямал" дополнительная система слежения не требуется. Рабочий ресурс для ИСЗ "Горизонт", "Галс", "Ямал" составляет соответственно менее 5, 7 и 10 лет.

Применительно к условиям нашей страны важное практическое значение имеет орбита типа "Молния", на которую выводятся ИСЗ "Молния", используемые системой связи и вещания России. Данная орбита с периодом обращения 12 часов имеет вытянутую эллиптическую орбиту с высотой апогея около 40 тыс. км и перигея - 500 км. Наклонение плоскости орбиты составляет i - 63,4°. В течение времени суток, равного 6-8 часам, спутник в районе апогея сравнительно медленно перемещается по ограниченной области небесной сферы. Это хотя и требует наличия подвижных антенн и систем наведения на ЗС, но позволяет сделать антенны ЗС неповоротными и упростить требования к системам их наведения на ИСЗ [2].

Зона обслуживания ИСЗ на орбите типа "Молния" несколько больше зоны видимости геостационарного спутника (из-за большой высоты спутника в апогее). Причем она охватывает практически все северное полушарие, в котором находится наша страна. Для обеспечения круглосуточной работы необходимо запускать на орбиту три-четыре ИСЗ, следующих друг за другом через равные интервалы времени, и использовать их поочередно для передачи информации.

На высокоэллиптическую орбиту планируется запуск ИСЗ "Ямал-200", предназначенных для создания национальной мобильной и персональной связи.

В последнее время наметилась тенденция использования связных ИСЗ, находящихся на низких орбитах (расстояние до Земли в пределах 700-1500 км). Системы связи с использованием ИСЗ на низких орбитах благодаря значительно меньшему (практически в 50 раз) расстоянию от Земли до спутника имеют ряд преимуществ перед системами связи на геостационарных спутниках. Во-первых, это меньшее запаздывание и затухание передаваемого сигнала, а во-вторых, более простой вывод ИСЗ на орбиту. Основным недостатком подобных систем является необходимость выведения на орбиту большого количества спутников для обеспечения длительной непрерывной связи. Это объясняется сравнительно небольшой зоной видимости отдельного ИСЗ, что усложняет связь между абонентами, находящимися на большом расстоянии друг от друга [3,4].

Создание низкоорбитальных систем связи идет полным ходом. Например, в США с участием европейских фирм активно реализуются системы "Iridium" и "Globalstar", которые будут оказывать услуги связи и в России.

Космический комплекс "Iridium" состоит из 66 космических аппаратов, размещенных на круговых орбитах с наклонением 86° и высотой 780 км. Спутники размещаются в орбитальных плоскостях, в каждой одновременно находятся 11 ИСЗ. Угловое расстояние между соседними орбитальными плоскостями составляет 31,6°, за исключе-нием 1-й и 6-й плоскостей, угловой разнос между которыми около 22°. Антенная система каждого ИСЗ формирует 48 узких лучей. Взаимодействие всех ИСЗ обеспечивает глобальное покрытие Земли услугами связи. Система "Globalstar" состоит из 48 спутников на 8 орбитах с наклонением 52°. В нашей стране ведутся работы по созданию собственных низкоорбитальных спутниковых систем связи, например "Сигнал", "Гонец".

Для изучения особенностей работы низкоорбитальных спут-никовых систем рассмотрим схему прохождения в ней сигналов (рис. 12.2). В этом случае на каждой ЗС должны быть установлены две антенны (А ₁и А₂), которые могут осуществлять передачу и прием сигналов с помощью одного из спутников, находящегося в зоне взаимной связи. На рис. 12.2 показаны ИСЗ, движущиеся по часовой стрелке по одной низкой орбите, часть которой показана в виде дуги т.п. Анализируемая система спутниковой связи работает следующим образом. Сигнал от ЗС через антенну А ₁поступает на ИСЗ₄ и ретранслируется через ИСЗз, ИСЗ₂, ИСЗ₁ к приемной антенне А ₁ЗС₂. Таким образом, в этом случае для ретрансля-ции сигнала используются антенны А ₁и сегмент орбиты, содержащей ИСЗ4-ИСЗ1. При выходе ИСЗ₄ из зоны, лежащей левее линии горизонта аа` передача и прием сигнала будут вестись через антенны A ₂ и сегмент орбиты, содержащий ИСЗ₅-ИСЗ₂. Затем передача и прием сигналов будут осуществляться антеннами А ₁и сегментом орбиты, состоящим из спутников ИС3₆-ИС3₃ и т.д.

Поскольку каждый ИСЗ может наблюдаться с достаточно большой территории на поверхности Земли, можно осуществить связь между несколькими ЗС через один общий связной ИСЗ. В этом случае спутник оказывается "доступным" многим ЗС, поэтому такая система называется системой связи с многостанционным доступом.

Использование ИСЗ, движущихся по орбите с малой высотой, упрощает аппаратуру ЗС, так как при этом возможно снижение усиления земных антенн, мощности передатчиков и работа с приемниками, имеющими несколько большую эквивалентную шумовую температуру, чем в случае геостационарных спутников. Однако в этом случае усложняется система управления движением большого числа ИСЗ по орбите.

Рис. 12.2. Система связи с несколькими ИСЗ на низкой орбите.

Низкоорбитальные спутниковые системы связи найдут применение как средства подвижной радиосвязи в дополнение наземных сотовых радиосетей, так и в качестве фиксированной радиосвязи в удаленных и труднодоступных районах. Кроме того, они будут использоваться:

- для передачи данных по типу электронной почты;

- для обмена деловой информацией;

- для персонального радиовызова;

- для определения местонахождения и передачи информации о местонахождении подвижных объектов;

- для экономического, промышленного и научного мониторинга земной поверхности.

В стадии разработки находится новая система связи из сово-купности низкоорбитальных спутников Teledesic, с помощью которой планируется развернуть всемирную сеть передачи данных [4]. В первоначальном варианте проекта системы Teledesic предполагается запуск 840 связных спутников, оснащенных сканирующими антенными системами с высоким коэффициентом усиления, покрывающих всю поверхность Земли сетью из 20 000 больших зон обслуживания, каждая из которых будет состоять из 9 малых зон. В пределах любой малой зоны абоненты сети смогут принимать и пересылать информацию со скоростью от 16 кбит/с до 2 Мбит/с. Спутники будут связаны с наземной телекоммуникационной сетью посредством высокопроизводительных ЗС. Однако и сами низкоорбитальные спутники связи сформируют независи-мую сеть, где каждый из них будет обмениваться данными с девятью соседями, используя высококачественные каналы межспутниковой связи. Эта неиерархическая структура должна сохранить работоспособность при отказах отдельных спутников, при локальных перегрузках и выходе из строя части средств связи с наземной инфраструктурой. В целом, с помощью системы Teledesic планируется реализация космической Internet.

Прямым конкурентом проекта Teledesic является разрабаты­ваемая фирмой Motorola новая спутниковая сеть связи Celestri. В новой системе в первую очередь планируется запустить 70 низкоорбитальных и один геостационарный спутник связи.