Особенности искусственных спутников земли на примере спутниковых систем связи

Особенности искусственных спутников земли на примере спутниковых систем связи

 

МОСКОВСКИЙ
АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ 
УНИВЕРСИТЕТ)

Гуманитарный факультет.

 

Реферат на тему:

«Особенности искусственных  спутников земли
на примере спутниковых систем связи.»

                                                            

                                                           Выполнила: студентка группы 10-202 Добротина
Е.Г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2001 г.

 

План

I . Введение

II .Первый искусственный спутник Земли

III. Системы связи ИСЗ

IV. Заключение

I.
ВВЕДЕНИЕ

Стремительное развитие космонавтики, успехи в изучении и исследовании
околоземного и межпланетного космического пространства в огромной степени
расширили наши представления о Солнце и Луне, о Марсе, Венере и дру­гих
планетах. Очень результативным оказалось изучение верхних слоев атмосферы,
ионосферы, магнитосферы. Вме­сте с тем выявилась весьма высокая эффективность
ис­пользования околоземного космоса и космической техни­ки в интересах многих
наук о Земле.

  Использование
искусственных спутников Земли для связи и телевидения, оперативного и
долгосрочного про­гнозирования погоды и гидрометеорологической обстанов­ки, для
навигации на морских путях и авиационных трас­сах, для высокоточной геодезии,
изучения природных ре­сурсов Земли и контроля среды обитания становится все
более привычным. В ближайшей и в более отдаленной перспективе разностороннее
использование космоса и космической техники, в различных областях хозяйства
значительно возрастет.

Для нашей эпохи характерен
огромный рост информации во всех сферах деятельности человека. Помимо
прогрессирующего развития традиционных средств передачи информации—телефонии,
телеграфии, радиовещания, возникла потребность в создании новых ее видов —
телевидения, обмена данными в автоматических системах управления и ЭВМ,
передачи матриц для печа­тания газет.

Глобальный характер
различных хозяйственных про­блем и научных исследований, широкая
межгосударствен­ная интеграция и кооперация в производстве, торговле, .
научно-исследовательской деятельности, расширение обме­на в области культуры
привели к значительному росту международных и межконтинентальных связей,
включая обмен телевизионными программами.

Традиционные средства связи в отношении их ви­дов, объема, дальности,
оперативности и надежности пе­редачи информации будут непрерывно
совершенствовать­ся. Однако дальнейшее развитие их встречает немалые затруднения
как технического, так и экономического ха­рактера. Уже теперь ясно, что
требования, предъявляе­мые к пропускной способности, качеству, надежности ка­налов
дальней связи, не могут быть полностью удовле­творены наземными средствами
проводной и радиосвязи.

Сооружение дальних наземных и
подводных кабель­ных линий занимает много времени. Они сложны и доро­гостоящи
не только в строительстве, но и в эксплуата­ции, и в отношении дальнейшего
развития. Обычные ка­бельные линии имеют к тому же сравнительно малую
пропускную способность. Лучшие перспективы имеют ши­рокополосные
концентрические кабели, однако и они об­ладают рядом недостатков,
ограничивающих их приме­нение.

Значительно большей пропускной способностью, даль­ностью действия,
возможностью перестройки для различ­ных видов связи располагает радио. Но и
радиолинии обладают определенными недостатками, затрудняющими во многих случаях
их применение.

 Сверхдлинноволновые системы радиосвязи из-за огра­ниченности диапазона
применяются обычно лишь для нужд транспорта, авианавигации и для специальных ви­дов
связи.

Длинноволновые радиолинии из-за ограниченной про­пускной способности и
сравнительно малого диапазона действия используются главным образом для местной
ра­диосвязи и радиовещания.

Коротковолновые радиолинии
обладают достаточной дальностью действия и широко применяются во многих видах
связи различного назначения.

Новые пути
преодоления свойственных дальней радио­связи недостатков открыли запуски
искусственных спут­ников Земли (ИСЗ).

Практика подтвердила,
что использование ИСЗ для связи, в особенности для дальней международной и меж­континентальной,
для телевидения и телеуправления, при передаче больших объемов информации,
позволяет устра­нить многие затруднения. Вот почему спутниковые си­стемы связи
(ССС) в короткий срок получили небывало быстрое, широкое и разностороннее
применение.

II. Первый искусственный спутник Земли.

Первая попытка поставить вопрос о создании ИСЗ была
сделана в декабре 1953 г. при подготовке проекта постановления Совмина по ракете
Р-7. Предлагалось: "Организовать в НИИ-88 научно-исследовательский отдел с
задачей разработки проблемных заданий совместно с АН в области полета на
высотах порядка 500 и более км, а также разработки вопросов, связанных с
созданием искусственного спутника Земли и изучением межпланетного пространства
с помощью изделия".

          Эта
задача рассматривалась в ОКБ не как разовая, а с расчетом на создание
специального направления в развитии ракетостроения        Такая масштабная
постановка вопроса требовала большой  предварительной  подготовки, вплоть до
оценки стоимости предстоящих работ по созданию ИСЗ.

При планировании работ по ИСЗ определенным ориентиром
служили сведения о работах США в этой области. Вопросы приоритета оставались
главным аргументом в течение всего последующего периода развития космонавтики.
Поэтому в  докладах, прежде всего, дается подробный обзор состоянию работ за
рубежом. При этом высказывается, можно сказать, основополагающая мысль о том,
что "ИСЗ есть неизбежный этап на пути развития ракетной техники, после
которого станут возможными межпланетные сообщения". Обращается внимание на
то, что за последние 2-3 года возросло внимание зарубежной печати к проблеме
создания ИСЗ и межпланетным сообщениям.

          Самое
примечательное в документах на эту тему — это суждения о перспективе работ по
ИСЗ. Разработка простейшего спутника — это только первый этап. Второй этап —
создание спутника, обеспечивающего полет одного — двух человек по орбите.
Третий этап работ- создание спутника-станции для длительного пребывания людей
на орбите. При осуществлении этого проекта предлагалось собирать
спутник-станцию из отдельных частей, доставляемых поочередно на орбиту.  

Подготовительные работы к первым пускам ракеты шли со
значительными трудностями и отставанием от установленных сроков. Вместе с тем,
конструктора выражали уверенность, что при напряженной работе в марте 1957 г.
начнутся пуски ракет. Ракету путем некоторых переделок можно приспособить для
пуска в варианте искусственного спутника Земли, имеющего небольшой полезный груз
в виде приборов весом около 25 кг… и отделяющийся шаровидный контейнер
собственно спутника диаметром около 450 мм и весом 40-50 кг.

И вот в Советском Союзе была создана ракета, способная развить скорость 8
км/сек. Она стар­товала 4 октября 1957 г. Взлетев ввысь верти­кально,
свечкой, ракета пронзила стратосферу. Ее вели автоматические устройства,
действую­щие по заданной программе. Ракета поднялась на двести с лишком
километров, постепенно приняла горизонтальное направление и легла на курс.
Нужно было это сделать очень точно:

ошибка на один
градус испортила бы все. Но автоматы действовали безупречно. Ракета на­брала
нужную скорость и отправила в путь блестящий шар из алюминиевых сплавов— первый
в мире искусственный спутник, сде­ланный в нашей стране.

8 км в секунду, 28800 км в час!

Если в какую-либо минуту спутник был над Австралией, то через 20 минут —
над Аляской, еще через 12 минут — над Нью-Йор­ком, еще через 10 — над
Бразилией. За полтора часа — кругосветное путешествие, 15 оборотов в сутки, и
всякий раз по новой трассе, потому что плоскость орбиты спутника в пространстве
неподвижна, а Земля вращается вокруг своей оси внутри этой орбиты.

Первый спутник был невелик: диаметр его — 58 см, вес — 83,6 кГ.
У него были двухметровые усы — антенны. Внутри — два радиопередатчи­ка
Проносясь над всеми странами мира, спутник оповещал, что эра космических
странствий уже наступила, и эту эру открыла страна социа­лизма. За ним
отправились в странствование вокруг Земли второй и третий спутники.

«Бэби-мун» — «Луной-малюткой» — прозвали американцы нашего межпланетного
первенца. Тысячи глаз и радиоприемников следили за его полетом. И каждый час
его жизни интересовал ученых. Впервые земное тело поднималось на высоту 947 км.
Впервые на таких высотах работал радиопередатчик.


 Сигналы его показы­вали, как проходят радиоволны через верхние
наэлектризованные слои атмосферы, позволя­ли глубже понять их строение.

Радиопередача требует энергии. Энергия в космосе есть. Ее можно
заимствовать от Солнца. Пусть оно своими лучами заряжает аккумуля­торы. Но на
первом спутнике стояли батареи, заряженные на Земле. Они иссякли через неко­торое
время, однако и замолкший спутник про­должал служить науке. На больших высотах,
где пролегал его путь, воздуха почти нет… но все же «почти нет», а не «совсем
нет». Даже при незначительной плотности воздух оказывает сопротивление, и
скорость спутника посте­пенно снижается. Благодаря этому можно уста­новить,
какова плотность атмосферы на различных высотах.

Некоторые особенности в движении
спутни­ка указывают на неравномерное притяжение Земли. Это позволяет уточнить
форму и строе­ние нашей планеты, найти скрытые под Землей тяжелые или легкие
массы.

Теоретически тело, летящее над Землей со скоростью 8 км/сек, не
упадет никогда. Но пер­вые спутники не могли летать вечно. Ничтожное
сопротивление воздуха со временем затормози­ло их полет. Они снижались и,
влетев в плотные слои воздуха, сгорали и рассыпались.

Теперь нужно было решить самый важный вопрос: может ли живое существо
перенести космический полет, или оно неминуемо погиб­нет за пределами
атмосферы? Второй советский искусственный спутник, стартовавший 3 нояб­ря 1957
г., должен был ответить на этот во­прос. На нем в космос на высоту до 1670 км
отправилась первая путешественница — собака Лайка. Специальные приборы
следили за ее дыханием, пульсом, кровяным давлением. Мы знаем, что Лайка хорошо
перенесла стреми­тельный старт и многосуточное путешествие вокруг Земли. На
третьем советском искусст­венном спутнике Земли была установлена еще белее
разнообразная аппаратура для изучения свойств земной атмосферы, солнечного
излуче­ния и т. п. Он весил 1,3 тонны, и запасы его электрической анергии для
питания приборов пополнялись за счет действия солнечных лучей на установленные
приспособления. Позднее несколько искусственных спутников удалось запустить и в
США.

Третий советский
спутник оказался самым долговечным и самым тяжелым. Советские люди сумели
забросить в пространство солид­ное сооружение, размером с легковую маши­ну.

III. Спутниковые системы связи.

Интересно, что идея
применения искусственных спут­ников Земли для связи была высказана еще до
запуска первого спутника. В 1945 г. известный советский ученый П. В. Шмаков
выдвигал идею использования ИСЗ для организации всемирного телевизионного
вещания.

Каковы же принципы
применения ИСЗ для целей свя­зи и почему спутниковые системы позволяют
преодолеть многие трудности, возникающие при организации связи старыми,
традиционными методами?

  Известно,
что шар отражает электромагнитные волны равномерно во всех направлениях, а его
эффективная от­ражающая поверхность пропорциональна квадрату диа­метра.
Повышение отражательных свойств такого шара может быть достигнуто за счет
увеличения его диаметра.  Надув шара осуществлялся после вывода ИСЗ на орби­ту
способом сублимации. Оболочка имела защитную плен­ку и специальное
металлизированное покрытие. Шар был составлен из отдельных меридиональных
сегментов. Металлические шаровые сегменты, накладываемые на сферу, обеспечивали
электрический контакт между всеми ме­ридиональными сегментами.

   Несмотря на очевидную простоту, дешевизну и
опре­деленные технические достоинства такой системы спутниковой связи, очень
скоро выявились и серьезные ее недо­статки. Для поддержания устойчивой связи
потребовалась большая мощность передающих и высокая чувствитель­ность приемных
наземных устройств. Но и при выполне­нии этих условий радиолинии работали
недостаточно ус­тойчиво, были подвержены влиянию помех. Срок жизни таких
спутников вследствие изменения их формы, сжа­тия оболочки и ухудшения отражательных
свойств, а также из-за быстрой потери высоты оказался небольшим.

 Спутник, однако, постоянно
перемещается в пространстве и не может всегда находиться в зоне совместной
видимости пунктов, нуждающихся в связи. Как же рабо­тает ССС, если требуется
длительная, многочасовая или даже круглосуточная, связь между заданными
пунктами  ?

Одно из возможных решений этой задачи — запуск
на соответствующие орбиты такого количества спутников, чтобы, как только один из них выйдет из зоны совмест­ной
радиовидимости пунктов, нуждающихся в связи, дру­гой ИСЗ тотчас же входил бы в
эту зону.  Однако даже при достаточно большом количестве спутников, если их
положение на ор­битах случайно, не исключено такое положение, когда в зоне
совместной видимости двух пунктов, нуждающихся в связи, не окажется ни одного
ИСЗ.

От чего же зависит количество ИСЗ, необходимых для обеспечения
непрерывной связи? Очевидно, что, чем боль­ше высота их орбит, тем длительнее
совместная види­мость ИСЗ наземными пунктами.

Наклонение — важнейшее условие охвата системой спутниковой связи
определенного района Земли, заданной зоны обслуживания. В связи с
первостепенной, можно сказать определяющей, ролью орбит ИСЗ в системах спут­никовой
связи необходимо, хотя бы очень кратко, оста­новиться на некоторых основных их
типах и поня­тиях.

 Круговая орбита — это орбита, у
которой расстояние от спутника до центра Земли приблизительно постоянно.
Эллиптическая орбита — когда спутник движется вокруг Земли по кривой, близкой к
эллипсу. Максимальное уда­ление ее от Земли (апогей) и минимальное (перигей)
могут существенно отличаться друг от друга. Форма эл­липса определяется
величиной его эксцентриситета (отно­шением разности расстояний от центра Земли
до апогея и перигея к большой оси эллипса). Орбиты с большим экс­центриситетом
имеют высокий апогей и называются высо­коэллиптическими.

Выбор формы орбиты (круговая,
эллиптическая, высо­коэллиптическая), наклонения (полярная, наклонная с
заданным углом наклона, экваториальная), величины пе­риода и характера
обращения орбиты вокруг Земли (син­хронная, геостационарная) является
определяющим при проектировании той или иной системы спутниковой свя­зи и в
свою очередь обусловливается задачами проектируемой системы.

 Начиная с
первых запусков спутники связи почти всегда образуют систему. Одиночные ИСЗ
связи широко­го использования применяются редко.

 В спутниковых системах связи
используются низкоорбитальные аппараты, высокоэллиптические ИСЗ и гео­стационары.

Системы связи с использованием
низкоорбитальных ИСЗ

 Это объясняется, в
частности, и тем, что вывод ИСЗ на низкие орбиты более прост и выполняет­ся с
наименьшими энергетическими затратами. Первые запуски низкоорбитальных
спутников связи  показали возможность и целесообразность приме­нения ИСЗ для
связи, подтвердили правильность техни­ческих принципов активной ретрансляции.
Вместе с тем из первого опыта эксплуатации спутников на низких орбитах стало
ясно, что они не могут обеспечить достаточно эффективного ре­шения задач
спутниковой связи.

Для расширения районов и
увеличения времени дейст­вия ССС предусматривалось пойти по пути увеличения
числа ИСЗ в системе. Вскоре, однако, стало ясно, что многоспутниковая система
связи на низкоорбитальных ИСЗ как система общего пользования обладает многими
эксплуатационными неудобствами и нерентабельна.

В низкоорбитальных системах связи
спутники могут размещаться в пространстве друг относительно друга случайно пли упорядоченно. При случай­ном
расположении понадобится большее число ИСЗ, одна­ко упорядоченное
местоположение их в пространстве по­требует немалых усилий для создания и
сохранения заданного относительного расположения. При этом необ­ходимы
постоянный контроль местоположения спутников и корректировка орбит вследствие
эволюции их в процес­се полета.

 К достоинствам ССС на низких орбитах относятся,  как уже отмечалось,
сравнительная дешевизна вывода их  на орбиту и более простая бортовая
аппаратура. К не­достаткам — трудность поддержания непрерывной круг­лосуточной
связи, усложнения наземной аппаратуры за счет применения следящих
антенных устройств, меньший срок существования КА.

 Низкоорбитальные ССС могут оказаться эффективными в тех случаях, когда
не требуется двусторонняя непрерывно действующая связь (например, если нужна лишь
периодическая передача данных).

Системы связи с ИСЗ на высокоэллиптических орбитах

Чтобы избежать недостатков, свойственных спутниковой системе
связи на низких орбитах, надо повышать высо­ту орбит. Возможны два варианта
таких орбит — высо­кие круговые и высокоэллиптические. Выведение ИСЗ на
высокоэллиптические орбиты в некоторых случаях имеет известные преимущества.

                                                         

 

За счет высоты орбиты длительность связи увеличится. Причем она до­полнительно
возрастет еще вследствие того, что отноше­ние времени видимости нахо­дящегося
близко к апогею спутника в заданной зоне к периоду его обращения   у спутников
с эллиптической орбитой оказывается сущест­венно больше.

Согласно законам небес­ной механики (второму зако­ну Кеплера) при
движении спутника по эллиптической орбите его угловая скорость тем меньше, чем
дальше он находится от центра Земли. Иными словами, спутник в районе апогея
движется су­щественно медленнее, чем в районе перигея.  При определении расчетных
параметров орбит спутни­ков связи, естественно, учитываются также энергетиче­ские
характеристики ракеты-носителя, возможности космо­дрома и
командно-измерительного комплекса и другие факторы, обусловливающие вывод
спутника на орбиту и управление им в полете.

 К спутникам с эллиптической орбитой относятся, на­пример, американские
спутники связи «Тельстар» (пери­гей—около 1 тыс. км, апогей—около 11
тыс. км).

Хорошим примером спутников с высокоэллиптической орбитой служат советские
спутники связи типа «Мол­ния». Для спутников этого класса выбрана орбита с апо­геем
над северным полушарием около 40 тыс. км и пери­геем около 500 км, при
наклонении 65° и периоде обра­щения, равном 12 ч  При периоде обращения
спутника класса «Молния», равном 12 ч, обеспечивается одновременно радиовиди­мость
между Москвой и Дальним Востоком в течение 8— 9 ч на одном витке.

 Орбитальная структура систем спутниковой связи (ко­личество ИСЗ, их
орбиты и взаимоположение в простран­стве) обусловливается требованиями
надежности, непрерывности, дальности действия связи, минимально до­пустимым
углом места, при котором работоспособны наземные станции, и другими факторами.

Системы с геостационарными ИСЗ

Все большее распространение получают системы спутни­ковой связи с
геостационарными ИСЗ, называемыми часто СИСЗ (стационарные ИСЗ). Они
применяются для телефонно-телеграфной связи, радио- и телевещания. Созда­ются
геостационарные космические аппараты комплекс­ного типа для метеорологических
целей, изучения при­родных ресурсов Земли, контроля среды обитания, выпол­нения
других задач.

Важнейшим достоинством геостационарных ИСЗ явля­ется образование огромной
постоянной зоны видимости для многочисленных пунктов на Земле, охват обширных
территорий, возможность организации связи на большую дальность и со
значительным числом корреспондентов.

 Существенное преимущество ССС со спутниками на геостационарных орбитах
состоит в том, что при их ис­пользовании снижаются требования к наземным систе­мам
слежения и связи, при этом упрощаются или устра­няются и устройства наведения
бортовых антенн. по­мощью трех таких спутников, расположенных друг относительно
друга под углами 120°, можно создать гло­бальную систему связи, т. е. систему,
практически охваты­вающую всю Землю.

   Геостационарные спутники связи, которые образно  можно себе
представить как телебашни, поднятые на вы­соту 36 тыс. км, в принципе позволяют
вести и прямые передачи без помощи местных телецентров, непосредственно на
абонентские антенны. В настоящее время уро­вень мощности излучаемых телесигналов
с геостационара еще недостаточен для приема на обычную, типовую або­нентскую
антенну, поэтому приходится применять не­большие специальные антенны группового
пользования. Что касается радиовещания, то прием его может осуще­ствляться на
совсем небольшие наружные антенны.

Говоря о несомненных достоинствах СИСЗ, нельзя упускать из виду того, что
вывод аппарата на стационар­ную орбиту осуществляется сложнее, чем на низкую
или даже на высокоэллиптическую. Доставка 1 кг полезного груза на
геостационарную орбиту обходится значительно дороже. Для удержания СИСЗ в
заданной точке «стояния» на нуж­ной долготе требуется регулярная корректировка
орбиты с помощью микродвигателей, а на борту спутника необ­ходимы для этих
целей запасы топлива. Усложняется уп­равление в полете. Развитие космонавтики
позволяет, од­нако, рассчитывать на быстрое и успешное преодоление всех
затруднений, возникающих при создании и эксплуа­тации спутниковых систем связи
на геостационарах.

Успешно действуют советские геостационарные спутники связи и телевизион­ного
вещания типа «Радуга», «Экран», «Горизонт».   

В эксплуатации находятся зарубеж­ные спутники связи типа «Интелсат»,
«Домсат» (США), «Телесат» (Канада) и другие.

Несмотря на свои достоинства, геостационары, одна- ко не во всех случаях
выгодны в технико-экономическом отношении. При определенных условиях более ра­ционально
использование ИСЗ на высокоэллиптических орбитах, например типа «Молния».

VI. Заключение

Пропускная способность, разветвленность систем, надежность и экономичность
ССС постоян­но растут. Многопрограммным телевидением постепенно охватываются
все новые районы, включая и самые отда­ленные уголки России. Возрасло значение
ССС в управлении различными отраслями народного хозяйст­ва, в системах
массового обучения, оповещения о различного рода стихийных явлениях, оказания
медицинской помощи. Массовое распространение получили мобильные сред­ства
спутниковой связи, позволяющие быстро и практиче­ски в любых районах страны
организовать связь с по­мощью ИСЗ.

Значительно расширилось международное сотрудниче­ство в области
применения спутниковых систем связи, еще более развились системы
«Интерспутник», «Стацио­нар», возрасло их взаимодействие с системами
«Интел-сат», «Инмарсат» и другими ССС различных стран мира.

У миллионов людей есть  возможность прямого исполь­зования ССС для
индивидуальной связи с любым абонентом мира с помощью маломощных и весьма
малогабаритных приемно-передающих устройств (мобильных телефонов). Реально
применение ССС для «электронной почты» (интернет). Возможно также использования
ИСЗ для индивидуального определения своего местонахождения в любой точке
земного шара. При этом предполагается, что в распоряжении пользователей будут
малогабаритные и дешевые индивидуальные навигационные устройства типа небольшого
транзистора.

С каждым годом спутниковые системы связи будут становиться все более
существенной частью Единой си­стемы связи, важным элементом глобальной систе­мы
связи. Они и теперь играют заметную роль в улуч­шении связей и взаимопонимания
между странами, а в течением времени эта роль будет возрастать.

Список используемой  литературы:

1. Академия наук СССР «Космос-Земле» Изд.
«Наука», Москва 1981г.

2. Детская энциклопедия, том 2.
Изд. «Академия педагогических наук РСФСР», Москва 1962г.

3. Талызин Н.В. «Спутники связи — Земля и
Вселенная», 1977

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *