8.2 Спутниковые системы связи. Общие сведения

Системы спутниковой связи можно рассматривать как особый вид радиорелейных линий связи, если антенну ретранслятора подвесить на опору, высота которой равна высоте орбиты спутника. В такой системе связи значительно увеличивается зона прямой видимости поверхности Земли, просматриваемой со спутника и, соответственно, размеры земной территории, с которой виден спутник в один и тот же момент времени.

Радиооборудование спутниковой системы связи, расположенное на спутнике, называют космической радиостанцией, а радиооборудование, расположенное на Земле, называют наземной радиостанцией. Канал передачи радиосигнала от наземной станции на спутник называют восходящим, а канал передачи сигналов в обратном направлении - нисходящим. На спутниках, помимо ретрансляционной аппаратуры, размещают также источники электропитания (солнечные батареи). Кроме того, на спутниках имеется оборудование, обеспечивающее стабилизацию положения спутников на орбите и ориентирование его в пространстве (антенны ретранслятора направляют в сторону Земли, солнечные батареи - в сторону Солнца).

Характеристики спутниковых систем связи в значительной степени зависят от параметров орбиты спутника. Орбита спутника - это траектория движения спутника в пространстве.

Физическое тело выходит на круговую орбиту вокруг Земли и становится ее спутником, если ему сообщить первую космическую скорость. В этом случае центростремительная сила, равная силе притяжения спутника Землей, уравновешивается центростремительной силой, определяемой линейной скоростью спутника v и расстоянием между центрами масс Земли и спутника, равного R+h, где R - радиус Земли, h - высота спутника над поверхностью Земли. Без учета других факторов, влияющих на поведение спутника на орбите, уравнение состояния динамического равновесия спутника имеет вид:

   (8.2)

где m - масса спутника; M - масса Земли, равная М = 5,98*10²⁴ килограмм массы; γ - гравитационная постоянная, равная γ=6,67*10^-11 м³/кгс²; R - средний радиус Земли, равный R=6371 км.

Для высот, значительно меньших радиуса Земли (h<<R), выражение (8.2) упрощается:

mg ∼ mv²/R,    (8.3)

где g = γM/R² ∼ 9,81 м/с² - ускорение свободного падения у поверхности Земли.

Скорость, необходимая для того, чтобы движущееся тело превратилось в спутника Земли, определяется из соотношения (8.2):

    (8.4)

Первая космическая скорость у поверхности Земли (h ∼ 0), согласно (8.3), (8.4) равна

 км/с.   (8.5)

Период обращения спутника вокруг Земли с учетом выражения (8.4) определяется как

   (8.6)

Графики зависимости линейной скорости спутника на круговой орбите и периода обращения спутника вокруг Земли от высоты орбиты над поверхностью Земли приведены на рисунке 8.6. Более точные формулы движения спутника учитывают влияние других факторов (отличие формы Земли от шарообразной, притяжение Луны, Солнца и других небесных тел и т.д.).

Рис. 8.6 Зависимость периода обращения спутника вокруг Земли от высоты орбиты

Если спутнику сообщают скорость большую, чем первая космическая, то он будет двигаться по эллиптической орбите. Скорость спутника при движении по эллиптической орбите непрерывно изменяется от наименьшего значения в точке максимального удаления от Земли (апогей) до максимального значения в точке наибольшего сближения с Землей (перигей).

Орбиты могут проходить в любом направлении вокруг земного шара, но плоскость орбиты будет проходить через центр Земли. Орбиты могут быть классифицированы по различным признакам.

Орбиты различают по взаимному расположению плоскости орбиты спутника и плоскости земного экватора. Если плоскость орбиты спутника совпадает с плоскостью экватора Земли, то орбиту спутника называют экваториальной. Орбиту называют полярной, если плоскость орбиты спутника проходит через полюса Земли. Орбиту называют наклонной при других взаимных расположениях плоскости орбиты спутника и плоскости земного экватора.

Орбиты могут быть круговыми с центром окружности, расположенным в центре Земли, или эллиптическими, при этом центр Земли находится в одном из фокусов эллипса. Кроме того, орбиты различаются также по высоте над поверхностью Земли.

Уникальные свойства имеет спутник, расположенный на экваториальной орбите, на высоте около 36 тысяч километров от поверхности Земли. Период обращения спутника на такой высоте совпадает с периодом вращения Земли вокруг своей оси. Если на такую орбиту запустить спутник в направлении, совпадающем с направлением вращения Земли, то такой спутник будет казаться неподвижным относительно поверхности Земли. Спутник на такой орбите называют геостационарным.

Для построения спутниковых систем связи используют, в основном, три разновидности орбит: геостационарную орбиту, высокую эллиптическую орбиту и низко-высотную орбиту. Примерные схемы этих орбит приведены на рисунке 8.7.

Рис. 8.7 Орбиты спутников Земли: 1 - геостационарная; 2 - высокая эллиптическая; 3 - низко-высотная

Участок земной поверхности, на котором могут быть расположены наземные станции спутниковой связи, называется зоной обслуживания. Характеристики системы связи определяются положением спутника на орбите. Одним из важных параметров спутниковой связи является угол возвышения спутника для земного наблюдателя - это угол между направлением на спутник и касательной к окружности в точке расположения земной станции.