Виды орбит ИСЗ, используемых в спутниковых РСПИ, их назначение и параметры (элементы орбит)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РФ

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ»

Работа защищена с оценкой

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ

преп., к.т.н., доц.				Жирнов А.И.
должность, уч. степень, звание		подпись, дата		инициалы, фамилия

 

Реферат На тему:

Виды орбит ИСЗ, используемых в спутниковых РСПИ, их назначение и параметры (элементы орбит). по курсу: Радиосистемы передачи информации

РАБОТУ  ВЫПОЛНИЛ

СТУДЕНТ  ГР.	2746				Тимофеев А.С.
			подпись, дата		инициалы, фамилия

Санкт-Петербург 
2011

Содержание

1

Введение   …………………………………………………………………………...2                                   

1 Классификации типов ИСЗ…………………………………………………......2

1.1. Спутник связи……………………………………………………………….…2

2.1Орбиты искусственных спутников Земли…………………………………...3

2.2 Деление орбит ИСЗ………………………………………………………….….6

2.2.1 Классификация орбит ИСЗ по наклонению……………………….……...6

2.2.1.1 Экваториальные орбиты…………………………………………………..7

2.2.1.2 Полярные орбиты…………………………………………………………..7

         2.2.1.3 Солнечно-синхронные орбиты…………………………………………….8

         2.2.2 Классификация орбит ИСЗ по величине большой полуоси………….….9

         2.2.2.1 Низкоорбитальные ИСЗ (LEO)……………………………………………9

         2.2.2.2 Среднеорбитальные ИСЗ(MEO)…………………………………………..9

         2.2.2.3 Геостационарные и геосинхронные орбиты ИСЗ……………………....9

         2.2.2.4 Высокоорбитальные ИСЗ (HEO)…………………………………………12

         3 Заключение………………………………………………………………………..13

Список литературы………………………………………………………………...14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

Введение

Искусственный спутник Земли (ИСЗ) — космический  аппарат, вращающийся вокруг Земли  по геоцентрической орбите.

Для движения по орбите вокруг Земли аппарат должен иметь начальную скорость, равную или немного большую первой космической  скорости. Полёты ИСЗ выполняются  на высотах до нескольких сотен тысяч  километров. Нижнюю границу высоты полёта ИСЗ обуславливает необходимость  избежания процесса быстрого торможения в атмосфере. Период обращения спутника по орбите в зависимости от средней высоты полёта может составлять от полутора часов до нескольких суток. Особое значение имеют спутники на геостационарной орбите, период обращения которых строго равен суткам и поэтому для наземного наблюдателя они неподвижно «висят» на небосклоне, что позволяет избавиться от поворотных устройств в антеннах.

 

1.Классификации типов ИСЗ.

Различают следующие  типы спутников:

- Астрономические спутники — это спутники, предназначенные для исследования планет, галактик и других космических объектов. Примером таких аппаратов являются орбитальные телескопы ("AGILE" (NORAD №31135), Италия, γ-телескоп; "AKARI" (NORAD №28939), Япония, ИК-телескоп; "Chandra" (NORAD №25867), США, рентгеновская обсерватория; "COROT" (NORAD №29678), ЕС, телескоп видимого диапазона длин волн; "Herschel Space Observatory" (ранее "FIRST", NORAD №34937), ЕС, ИК-телескоп; "Fermi Gamma-ray Space Telescope" (ранее "GLAST", NORAD №33053), США, ЕС, γ-телескоп; "Hubble Space Telescope" (NORAD №20580), США, ЕС, телескоп УФ, ИК и видимого диапазона и т.д.).

- Биоспутники — это спутники, предназначенные для проведения научных экспериментов над живыми организмами в условиях космоса.

- Дистанционного зондирования Земли

- Космические корабли — пилотируемые космические аппараты

- Космические станции — долговременные космические корабли

- Метеорологические спутники — это спутники, предназначенные для передачи данных в целях предсказания погоды, а также для наблюдения климата Земли

- Малые спутники — спутники малого веса (менее 1 или 0.5 тонн) и размера. Включают в себя миниспутники (более 100 кг), микроспутники (более 10 кг) и наноспутники (легче 10 кг)

- Разведывательные спутники

- Навигационные спутники

- Спутники связи

- Телекоммуникационные спутники

- Экспериментальные спутники

 

 

1.1.Спутник связи.

Спу́тник свя́зи — искусственный спутник Земли, специализированный для ретрансляции радиосигнала между точками на поверхности земли, не имеющими прямой видимости. Спутник связи, принимает спектр частот с сигналами наземных станций, направленных на него, усиливает и излучает обратно на Землю. Зона, в которой возможен прием спутникового сигнала, называется зоной покрытия. Зона покрытия определяется положением на орбите, ориентацией и техническими характеристиками спутника.

Применяя  различные модуляции, через спутник  можно передавать как цифровую информацию, так и аналоговые сигналы.

 

3

Большинство спутников имеют несколько передатчиков — транспондеров, каждый из которых  покрывает некоторую полосу частот. Также, транспондеры различаются поляризацией и диапазоном (C или Ku) с которыми они работают.

Спутники  размещаются в трёх зонах, обусловленных  существованием поясов Ван Аллена. Геостационарные спутники возвышаются  над Землёй на высоте 35786 км, средневысотные спутники занимают диапазон от 5000 до 15000 километров, для покрытия всей земной поверхности таких спутников  требуется около 10, такие спутники нашли применение в системе GPS; завершают  классификацию низкоорбитальные спутники, которых для покрытия связью всей Земли нужно не менее пятидесяти.

 

 

2.1 Орбиты искусственных спутников Земли.

Траектория  движения ИСЗ называется орбитой. Во время свободного полета спутника, когда его бортовые реактивные двигатели  выключены, движение происходит под  воздействием гравитационных сил и  по инерции, причем главной силой  является притяжение Земли.  Если считать Землю строго сферической, а действие гравитационного поля Земли — единственной силой, воздействующей на спутник, то движение ИСЗ подчиняется известным законам Кеплера: оно происходит в неподвижной (в абсолютном пространстве) плоскости, проходящей через центр Земли, — плоскости орбиты; орбита имеет форму эллипса или окружности (частный случай эллипса). При движении спутника полная механическая энергия (кинетическая и потенциальная) остается неизменной, вследствие чего при удалении спутника от Земли скорость его движения уменьшается.

В случае эллиптической  орбиты точкой перигея называют точку  орбиты, соответствующую наименьшему  значению радиус-вектора r = rп, точкой апогея — точку, соответствующую наибольшему значению r = ra.

Земля находится  в одном из фокусов эллипса. Расстояние между фокусами и центром эллипса составляет ае, т. е. пропорционально эксцентриситету. Высота спутника над поверхностью Земли h=r-R, где R — радиус Земли. Линия пересечения плоскости орбиты с плоскостью экватора называется линией узлов, угол i между плоскостью орбиты и плоскостью экватора — наклонением орбиты. По наклонению различают экваториальные (i = 0°), полярные (i = 90°) и наклонные орбиты,(0°<i<90° 90°<i<180°).

Орбита спутника характеризуется также долготой апогея д — долгота подспутниковой точки (точка пересечения радиуса-вектора с поверхностью Земли) в момент прохождения спутником апогея и периодом обращения Т (время между двумя последовательными прохождениями одной и той же точки орбиты).

Для систем связи  и вещания необходимо, чтобы имелась  прямая видимость между спутником  и соответствующими земными станциями  в течение сеанса связи достаточной  длительности. Если сеанс не круглосуточный, то удобно, чтобы он повторялся ежесуточно в одно и то же время. Поэтому предпочтительны  синхронные орбиты с периодом обращения, равным или кратным времени оборота  Земли вокруг оси, т. е. звездным суткам (23 ч 56 мин 4 с). Широкое применение нашла  высокая эллиптическая орбита с  периодом обращения 12 ч, когда для  систем связи и вешания использовались спутники «Молния» (высота перигея 500 км, апогея — 40 тыс. км). Движение ИСЗ на большой высоте — в области  апогея — замедляется, а область  перигея, расположенную над южным  полушарием Земли, спутник проходит очень быстро. Зона видимости ИСЗ  на орбите типа «Молния» в течение  большей части витка вследствие значительной высоты велика. Она расположена  в северном полушарии и поэтому  удобна для северных стран. Обслуживание всей территории бывшего СССР одним  из ИСЗ возможно в течение не менее 8 ч, поэтому трех ИСЗ, сменяющих друг друга, было достаточно для круглосуточной работы. В настоящее время ради исключения перерывов связи и  вещания, упрощения систем наведения  антенн земных станций на ИСЗ и  других эксплуатационных преимуществ  осуществлен переход на использование  геостационарных орбит (ГСО) спутников Земли.

4

Орбита геостационарного ИСЗ — это круговая (эксцентриситет е = 0), экваториальная (наклонение i = 0°), синхронная орбита с периодом обращения 24 ч, с движением спутника в восточном направлении. Орбиту ГСО еще в 1945 г. рассчитал и предложил использовать для спутников связи английский инженер Артур Кларк, известный впоследствии как писатель-фантаст. В Англии и многих других странах геостационарную орбиту называют «Пояс Кларка». Орбита имеет форму окружности, лежащей в плоскости земного экватора с высотой над поверхностью Земли 35 786 км. Направление вращения ИСЗ совпадает с направлением суточного вращения Земли. Поэтому для земного наблюдателя спутник кажется неподвижным в определенной точке небесной полусферы.

Геостационарная орбита уникальна тем, что ни при  каком другом сочетании параметров нельзя добиться неподвижности свободно движущегося ИСЗ относительно земного  наблюдателя. Необходимо отметить некоторые  достоинства геостационарных ИСЗ. Связь осуществляется непрерывно, круглосуточно, без переходов (заходящего ИСЗ на другой); на антеннах земных станций упрощены, а на некоторых даже исключены системы автоматического сопровождения ИСЗ; механизм привода (перемещения) передающей и приемной антенн облегчен, упрошен, сделан более экономичным; достигнуто более стабильное значение ослабления сигнала на трассе Земля — Космос; зона видимости геостационарного ИСЗ около одной трети земной поверхности; трех геостационарных ИСЗ достаточно для создания глобальной системы связи; отсутствует (или становится весьма малым) частотный сдвиг, обусловленный эффектом Доплера.

Эффектом  Доплера называют физическое явление, заключающееся в изменении частоты  высокочастотных электромагнитных колебаний при взаимном перемещении  передатчика и приемника. Эффект Доплера объясняется изменением расстояния во времени. Этот эффект может  возникнуть также и при движении ИСЗ на орбите. На линиях связи через  строго гестационарный спутник доплеровский сдвиг не возникает, на реальных геостационарных ИСЗ — мало существен, а на сильно вытянутых эллиптических или низких круговых орбитах может быть значительным. Эффект проявляется как нестабильность несущей частоты ретранслируемых спутником колебаний, которая добавляется к аппаратурной нестабильности частоты, возникающей в аппаратуре бортового ретранслятора и земной станции. Эта нестабильность может существенно осложнять прием сигналов, приводя к снижению помехоустойчивости приема.

К сожалению, эффект Доплера способствует изменению  частоты модулирующих колебаний. Это  сжатие (или расширение) спектра  передаваемого сигнала невозможно контролировать аппаратурными методами, так что если сдвиг частоты  превысит допустимые пределы (например, 2 Гц для некоторых типов аппаратуры частотного разделения каналов), то канал  оказывается неприемлемым.

Существенное  влияние на свойства каналов связи  оказывает и запаздывание радиосигнала при его распространении по линии  Земля — ИСЗ — Земля.

При передаче симплексных (однонаправленных) сообщений (программ телевидения, звукового вешания  и других дискретных (прерывистых) сообщений  это запаздывание не ощущается потребителем. Однако при дуплексной (двусторонней) связи запаздывание на несколько секунд уже заметно. Например, электромагнитная волна от Земли на ГСО и обратно «путешествует» 2...4 с (с учетом задержки сигнала в аппаратуре ИСЗ) и наземной аппаратуре. В этом случае не имеет смысла передавать сигналы точного времени.

Вывод геостационарного спутника на орбиту обычно осуществляется многоступенчатой ракетой через  промежуточную орбиту. Современная  ракета-носитель представляет собой  сложный космический летательный  аппарат, который приводится в движение реактивной силой ракетного двигателя.

В состав ракеты-носителя входят ракетный и головной блоки. Ракетный блок является автономной частью составной  ракеты с топливным отсеком, двигательной

5

установкой и элементами системы разделения ступеней. Головной блок включает в себя полезную нагрузку и обтекатель, защищающий конструкцию  ИСЗ от силового и теплового воздействий  набегающего потока воздуха при полете в атмосфере и служащего для монтажа на его внутренней поверхности элементов, которые участвуют в подготовке к пуску, но не функционируют в полете. Главный обтекатель позволяет облегчить конструкцию ИСЗ и является пассивным элементом, надобность в котором отпадает после выхода ракеты-носителя из плотных слоев атмосферы, где он сбрасывается. Полезная нагрузка космического аппарата состоит из ретрансляционного оборудования связи и вещания, радиотелеметрических систем, собственно корпуса ИСЗ со всеми вспомогательными и обеспечивающими системами.