Особенности штучних супутників землі з прикладу супутникових систем связи

МОСКОВСЬКИЙ АВІАЦІЙНИЙ ИНСТИТУТ.

(ТЕХНІЧНИЙ УНИВЕРСИТЕТ).

Гуманітарний факультет.

Реферат на задану тему: «Особливості штучних супутників землі з прикладу супутникових систем связи.».

Виконала: студентка групи 10−202 Добротина Е.Г.

Москва 2001 г.

План.

I.

Введение

.

II .Перший штучний супутник Земли.

III. Системи зв’язку ИСЗ.

IV.

Заключение

.

I.

ВВЕДЕНИЕ

.

Стрімкий розвиток космонавтики, успіхи у вивченні і дослідженні навколоземного і міжпланетного космічного простору великою мірою розширили наші ставлення до Сонце і Місяці, про Марсі, Венері та інших планетах. Дуже результативним виявилося вивчення верхніх верств атмосфери, іоносфери, магнітосфери. Разом про те виявилася дуже висока ефективність використання навколоземного космосу, і космічної техніки в інтересах багатьох наук про Земле.

Використання штучних супутників Землі для зв’язку й телебачення, оперативного і довгострокового прогнозування погоди й гідрометеорологічної обстановки, для навігації на морських шляхах і авіаційних трасах, для високоточної геодезії, вивчення природних ресурсів Землі та контролю довкілля стає дедалі звичним. У найближчій й більш віддаленій перспективі різнобічніша використання космосу, і космічної техніки, у різноманітних галузях господарства значно возрастет.

Нашій епохи характерний величезний зростання інформації в всі сфери діяльності. Крім прогресуючого розвитку традиційних коштів передачі информации—телефонии, телеграфії, радіомовлення, виникла потреба у створення нових її видів — телебачення, обміну даними в автоматичних системах управління і ЕОМ, передачі матриць для друкування газет.

Глобальний характер різних господарських труднощів і наукових досліджень, широка міждержавна інтеграція і кооперація в виробництві, торгівлі,. науково-дослідної діяльності, розширення обміну у сфері культури сприяли значного зростання міжнародних стандартів і міжконтинентальних зв’язків, включаючи обмін телевізійними програмами. Традиційні засоби зв’язку проти них видів, обсягу, дальності, оперативності й надійності передачі будуть безупинно вдосконалюватися. Проте розвиток їх зустрічає чималі труднощі як технічного, і економічного характеру. Вже тепер ясно, що вимоги, які пред’являються пропускну здатність, якості, надійності каналів далекого зв’язку, неможливо знайти цілком задоволені наземними засобами провідного і радіозв'язку. Спорудження далеких наземних і підводних кабельних ліній займає багато місця часу. Вони складні, і дорогі у будівництві, а й у експлуатації, у питаннях її подальшого розвитку. Звичайні кабельні лінії мають при цьому порівняно малу пропускну спроможність. Найкращі перспективи мають широкосмугові концентричні кабелі, проте вони мають ряд недоліків, що обмежують їхні застосування. Значно більшої пропускною спроможністю, дальністю дії, можливістю перебудови щодо різноманітних видів зв’язку має радіо. Але й радіолінії мають певними вадами, ускладнюють у багатьох випадках їх применение.

Сверхдлинноволновые системи радіозв'язку обмеженість діапазону застосовуються зазвичай тільки до потреб транспорту, авианавигации й у спеціальних видів зв’язку. Довгохвильові радіолінії через обмеженою пропускну здатність і порівняно малого діапазону дії використовуються головним чином заради місцевої радіозв'язку і радиовещания.

Короткохвильові радіолінії мають достатньої дальністю дії і широко застосовують у багатьох видах зв’язку різного призначення. Нові шляху подолання властивих дальньої радіозв'язку недоліків відкрили запуски штучних супутників Землі (ИСЗ).

Практика підтвердила, що використання ШСЗ для зв’язку, особливо для дальньої міжнародної та міжконтинентальної, телебачення і телекерування, під час передачі великих обсягів інформації, дозволяє усунути багато труднощі. Саме тому супутникові системи зв’язку (СБС) в стислі терміни отримали небувало швидке, широке та різнобічніша применение.

II. Перший штучний супутник Земли.

Перша спроба порушити питання створенні ШСЗ було зроблено у грудні 1953 р. під час проекту постанови Радміну із ракети Р-7. Пропонувалося: «Організувати в НДІ-88 науково-дослідний відділ з завданням розробки проблемних завдань що з АН у сфері польоту на висотах майже 450 і більше км, і навіть розробки питань, що з створенням штучного супутника Землі та вивченням міжпланетного простору з допомогою вироби » .

Це завдання розглядалася в ОКБ не як разова, і з розрахунком на створення спеціального напрями у розвитку ракетобудування Така масштабна позиція потребувала б великої попередньої підготовки, до оцінки вартості майбутніх робіт зі створення ИСЗ.

При плануванні робіт з ШСЗ певним орієнтиром служили відомості роботи США у цій галузі. Питання пріоритету залишалися головним аргументом протягом усього наступного періоду розвитку космонавтики. Тож у доповідях, передусім, дається докладний огляд стану робіт там. У цьому висловлюється, можна сказати, основна думка про тому, що «ШСЗ є неминучий етап по дорозі розвитку ракетної техніки, після якого стануть можливими міжпланетні повідомлення ». Звертається увагу до те, що протягом останніх 2−3 року зросла увагу закордонного друку до проблеми створення ШСЗ і міжпланетним сообщениям.

Найпримітніше в документах по цій проблемі - це судження про перспективі робіт з ШСЗ. Розробка найпростішого супутника — це тільки перший етап. Другий етап — створення супутника, забезпечує політ одного — двох чоловік орбітою. Третій етап робітстворення спутника-станции для тривалого перебування людей на орбіті. При здійсненні цього проекту пропонувалося збирати спутник-станцию із окремих частин, що доставляються по черзі на орбиту.

Підготовчі роботи до перших пускам ракети йшли з значними труднощами і відставанням від встановлені строки. Разом про те, конструктора висловлювали впевненість, що з напруженої роботи у березні 1957 р. почнуться пуски ракет. Ракету шляхом деяких переробок можна пристосувати для пуски на варіанті штучного супутника Землі, має невеличкий корисний вантаж як приладів вагою близько 25 кг… і отделяющийся кулястий контейнер власне супутника діаметром близько 450 мм вагою 40- 50 кг. І ось у Радянському Союзі було створено ракета, здатна розвинути швидкість 8 км/сек. Вона стартувала 4 жовтня 1957 р. Злетівши вгору вертикально, свічкою, ракета протяла стратосферу. Її вели автоматичні устрою, діючі по заданої програмі. Ракета піднялася на двісті із гаком кілометрів, поступово прийняла горизонтальне напрям і лягла на курс. Потрібно було це якраз: помилка однією градус зіпсувала б, усе. Але автомати діяли бездоганно. Ракета набрала потрібну швидкість і відправила ти дорогою блискучий кулю з алюмінієвих сплавів— першим у світі штучний супутник, зроблений нашої стране.

8 км в секунду, 28 800 км в час!

Якщо якусь хвилину супутник був над Австралією, то через 20 хвилин — над Аляской, ще за 12 хвилин — над Нью-Йорком, ще за 10 — над Бразилією. За години — кругосвітню подорож, 15 обертів за добу, і щоразу знову трасі, оскільки площину орбіти супутника в просторі нерухома, а Земля обертається навколо своєї осі всередині цієї орбиты.

Перший супутник був невеликий: діаметр його — 58 див, вагу — 83,6 кГ. В нього були двометрові вуса — антени. Усередині — два радіопередавача Пролітаючи з усіх країнами світу, супутник сповіщав, що ера космічних мандрівок вже настала, і цю еру відкрила країну соціалізму. Далі вирушили у мандрування навколо Землі другий і третій спутники.

«Бэби-мун» — «Луной-малюткой» — прозвали американці нашого міжпланетного первістка. Тисячі очей і радіоприймачів стежили над його польотом. Отже кожний годину його життя цікавив учених. Вперше земне тіло піднімалось на висоту 947 км. Вперше на таких висотах працював радиопередатчик.

[pic].

Сигнали його показували, як проходять радіохвилі через верхні наелектризовані верстви атмосфери, дозволяли глибше зрозуміти їх будова. Радіопередача вимагає енергії. Енергія у космосі є. Її можна запозичати від поверхні Сонця. Нехай він своїми променями заряджає акумулятори. Але першою супутнику стояли батареї, заряджені Землі. Вони вичерпалися через кілька днів, але й замовкший супутник продовжував служити науці. На великих висотах, де пролягав його шлях, повітря майже немає… проте «майже немає», а чи не «час від». Навіть за незначної щільності повітря чинить опір, і швидкість супутника поступово знижується. Завдяки цьому можна встановити, як і щільність атмосфери в різних висотах. Деякі особливості рухається супутника свідчить про нерівномірне тяжіння Землі. Це дозволяє уточнити форму й будову нашої планети, знайти приховані під Землею важкі або легені маси. Теоретично тіло, летящее над Землею зі швидкістю 8 км/сек, не впаде ніколи. Але перші супутники було неможливо літати вічно. Незначна опір повітря згодом загальмувало їх політ. Вони знижувалися і, улетівши в щільні верстви повітря, згоряли і розсипалися. Тепер потрібно було визначити найважливіше запитання: чи може жива істота перенести космічний політ, чи її неминуче загине поза атмосфери? Другий радянський штучний супутник, що стартував 3 листопада 1957 р., мав відповісти на питання. Нею до космосу на висоту до 1670 км вирушила перша мандрівниця — собака Лайка. Спеціальні прилади стежили до її диханням, пульсом, кров’яним тиском. Ми знаємо, що Лайка добре перенесла стрімкий старт і многосуточное подорож навколо Землі. На третьому радянському штучному супутнику Землі була встановлено ще біліша різноманітна апаратура з вивчення властивостей земної атмосфери, сонячного випромінювання та т. п. Він важив 1,3 тонни, і запаси його електричної анергии для харчування приладів поповнювалися впливом сонячних променів на встановлені пристосування. Пізніше кілька штучних супутників вдалося запустити й у США.

Третій радянський супутник виявився найбільш довговічним й найбільш важким. Радянські люди зуміли закинути у просторі солідне спорудження, розміром із легкову машину.

III. Супутникові системи связи.

Цікаво, ідея застосування штучних супутників Землі для зв’язку пролунала ще до його запуску першого супутника. У 1945 р. відомий радянський учений П. У. Шмаков висував ідею використання ШСЗ для організації всесвітнього телевізійного вещания.

Які ж принципи застосування ШСЗ з метою зв’язку й чому супутникові системи дозволяють подолати багато труднощів, які під час організації зв’язку старими, традиційними методами?

Відомо, що кулю відбиває електромагнітні хвилі рівномірно переважають у всіх напрямах, яке ефективна відбиває поверхню пропорційна квадрату діаметра. Підвищення отражательных властивостей такого кулі то, можливо досягнуто рахунок збільшення його діаметра. Надувши кулі здійснювався після виведення ШСЗ на орбіту способом сублімації. Оболонка мала захисну плівку і спеціальне металізоване покриття. Куля був із окремих меридіональних сегментів. Металеві кульові сегменти, накладываемые на сферу, забезпечували електричний контакт між всіма меридиональными сегментами.

Попри очевидну простоту, дешевизну і певні технічні гідності такої системи супутниковому зв’язку, дуже швидко було виявлено і серйозні її вади. Задля підтримки стійкою зв’язку знадобилася велика потужність передавальних та висока чутливість прийомних наземних пристроїв. Але й і під час цих умов радіолінії працювали недостатньо стійко, страждали впливу перешкод. Термін життя таких супутників через зміну їх форми, стискування оболонки, та погіршення отражательных властивостей, і навіть через швидкої втрати висоти виявився небольшим.

Супутник, проте, постійно переміщається у просторі не може завжди перебувати у зоні спільної видимості пунктів, що потребують зв’язку. Які ж працює СБС, якщо потрібно тривала, багатогодинна і навіть цілодобова, зв’язок між заданими пунктами? Один із можливих рішень це завдання — запуск на відповідні орбіти такої кількості супутників, щоб, щойно них вийде із зони спільної радиовидимости пунктів, що потребують зв’язку, інший ШСЗ відразу ж ж входив б цю зону. Однак навіть за досить велику кількість супутників, якщо їхнє становище на орбітах випадково, цілком можливо таке становище, коли у зоні спільної видимості двох пунктів, що потребують зв’язку, бракуватиме жодного ШСЗ. Від що ж залежить кількість ШСЗ, необхідні забезпечення безупинної зв’язку? Вочевидь, що, що більше висота їх орбіт, тим триваліша спільна видимість ШСЗ наземними пунктами. Нахил — найважливіша умова охоплення системою супутниковому зв’язку певного району Землі, заданої зони обслуговування. У зв’язку з першорядною, можна сказати визначальною, роллю орбіт ШСЗ в системах супутниковому зв’язку необхідно, хоча дуже коротко, зупинитися на деяких основних їх типах і понятиях.

Кругова орбіта — це орбіта, що має відстань від супутника до центру Землі приблизно постійно. Еліптична орбіта — коли супутник рухається навколо Землі за дзвоновидною кривою, близька до еліпсу. Максимальне видалення його від Землі (апогей) і мінімальну (перигей) може істотно відрізнятися друг від друга. Форма еліпса визначається величиною його эксцентриситета (ставленням різниці відстаней від центру Землі до апогею і перигея до великий осі еліпса). Орбіти з великим ексцентриситетом мають високий апогей і називаються высокоэллиптическими.

Вибір форми орбіти (кругова, еліптична, высокоэллиптическая), нахилення (полярна, похила з заданим кутом нахилу, екваторіальна), величини періоду й характеру звернення орбіти навколо Землі (синхронна, геостаціонарна) визначальний під час проектування тій чи іншій системи супутниковому зв’язку й у своє чергу обумовлюється завданнями проектованої системы.

Починаючи із перших запусків супутники зв’язку майже завжди утворюють систему. Поодинокі ШСЗ зв’язку використання застосовуються редко.

У супутникових систем зв’язку використовуються низкоорбитальные апарати, высокоэллиптические ШСЗ і геостационары.

Системи зв’язки й з використанням низькоорбітальних ИСЗ.

Першими з метою зв’язку було застосовано низкоорбитальные ИСЗ.

Це, зокрема, і тих, що виведення ШСЗ на низькі орбіти більш простий і виконується з найменшими енергетичними витратами. Перші запуски низькоорбітальних супутників зв’язку показали можливість і доцільність застосування ШСЗ для зв’язку, підтвердили правильність технічних принципів активної ретрансляції. Разом з тим із першої спроби експлуатації супутників на низьких орбітах зрозуміли, що вони можуть забезпечити досить розв’язання завдань супутникового связи.

Для розширення районів і збільшення часу дії СБС передбачалося піти шляхом збільшення кількості ШСЗ у системі. Невдовзі, проте, зрозуміли, що многоспутниковая система зв’язку на низькоорбітальних ШСЗ як система загального користування має багатьма експлуатаційними незручностями і нерентабельна.

У низькоорбітальних систем зв’язку супутники можуть будуть показані у просторі друг щодо друга випадково плі упорядоченно. При випадковому розташуванні знадобиться більше ШСЗ, проте упорядкований місце розташування в просторі зажадає чималих докладає зусиль до створення і збереження заданого відносного розташування. У цьому необхідні постійний контроль місцеположення супутників і коригування орбіт внаслідок еволюції в процесі полета.

До переваг СБС на низьких орбітах ставляться, як зазначалось, порівняльна дешевизна виведення їх у орбіту й простіша бортова апаратура. До вад — труднощі підтримки безупинної цілодобової зв’язку, ускладнення наземної апаратури шляхом застосування стежать антенних пристроїв, коротший термін існування КА.

Низкоорбитальные СБС може стати ефективними у випадках, коли непотрібен двостороння безупинно діюча зв’язок (наприклад, якщо потрібна лише періодична передача данных).

Системи зв’язки України із ШСЗ на высокоэллиптических орбитах.

Щоб уникнути недоліків, властивих супутникового системі зв’язку на низьких орбітах, треба підвищувати висоту орбіт. Можливі два варіанта таких орбіт — високі кругові і высокоэллиптические. Виведення ШСЗ на высокоэллиптические орбіти деяких випадках має відомі преимущества.

[pic].

за рахунок висоти орбіти тривалість зв’язку збільшиться. Причому вона додатково зросте ще через те, причетне часу видимості який би близько до апогею супутника в заданої зоні на період його звернення в супутників з еліптичної орбітою виявляється істотно больше.

Відповідно до законів небесної механіки (другому закону Кеплера) при русі супутника по еліптичної орбіті його кутова швидкість тим менше, що далі він перебуває від центру Землі. Інакше кажучи, супутник у районі апогею рухається істотно повільніше, ніж у районі перигея. При визначенні розрахункових параметрів орбіт супутників зв’язку, природно, враховуються також енергетичні характеристики ракети-носія, можливості космодрому і командно-вимірювального комплексу, й інші чинники, що зумовлюють висновок супутника на орбіту й управління ним в полете.

До супутникам з еліптичної орбітою ставляться, наприклад, американські супутники зв’язку «Тельстар» (перигей—около 1 тис. км, апогей—около 11 тис. км).

Гарним прикладом супутників з высокоэллиптической орбітою служать радянські супутники зв’язку типу «Блискавка». Для супутників цього обрано орбіта з апогеєм над північним півкулею близько сорока тис. км і перигеем близько 500 км, при нахиленні 65° і періоді звернення, рівному 12 год При періоді звернення супутника класу «Блискавка», рівному 12 год, забезпечується одночасно радиовидимость між Москвою і Далеким Сходом протягом 8— 9 год однією витке.

Орбітальна структура систем супутниковому зв’язку (кількість ШСЗ, їх орбіти і взаимоположение у просторі) обумовлюється вимогами надійності, безперервності, дальності дії зв’язку, мінімально допустимим кутом місця, у якому працездатні наземні станції, та інші факторами.

Системи з геостаціонарними ИСЗ.

Дедалі більше поширюються системи супутниковому зв’язку з геостаціонарними ШСЗ, званими часто СИСЗ (стаціонарні ШСЗ). Вони застосовуються для телефонно-телеграфної зв’язку, радіоі телемовлення. Створюються геостационарные космічні апарати комплексного типу для метеорологічних цілей, вивчення природних ресурсів Землі, контролю середовища проживання, виконання інших задач.

Найважливішим гідністю геостаціонарних ШСЗ є освіту величезної постійної зони видимості для численних пунктів Землі, охоплення великих територій, можливість організації зв’язку велику дальність і з значним числом корреспондентов.

Істотне перевагу СБС зі супутниками на геостаціонарних орбітах у тому, що з використанні їх знижуються вимоги до наземним системам спостереження та зв’язку, у своїй спрощуються чи усуваються та внутрішнього облаштування наведення бортових антен. допомогою трьох таких супутників, розташованих друг щодо друга під кутами 120°, можна створити глобальної системи зв’язку, т. е. систему, практично що охоплює всю Землю.

[pic].

Геостационарные супутники зв’язку, які образно можна уявити, як телебашти, підняті на висоту 36 тис. км, у принципі дають змогу здійснювати і прямі передачі без допомоги місцевих телецентрів, безпосередньо на абонентські антени. Нині рівень потужності випромінюваних телесигналов з геостационара ще недостатній прийому на звичайну, типову абонентську антену, тож і мусять застосовувати невеликі спеціальні антени групового користування. Що ж до радіомовлення, то прийом його здійснюватися назовсім невеликі зовнішні антенны.

Ведучи мову про безсумнівних достоїнствах СИСЗ, не можна обійти увагою того, що виведення апарату стаціонарний орбіту здійснюється складніше, ніж низьку і навіть на высокоэллиптическую. Доставка 1 кг корисного вантажу на геостаціонарну орбіту обходиться значно дорожче. Для утримання СИСЗ в заданої точці «стояння» на потрібної довготі потрібно регулярна коригування орбіти з допомогою микродвигателей, але в борту супутника необхідні цього запаси палива. Ускладнюється управління польоті. Розвиток космонавтики дозволяє, проте, прогнозувати швидке й успішне подолання всіх труднощів, які виникають за створенні та експлуатації супутникових систем зв’язку на геостационарах.

Успішно діють радянські геостационарные супутники зв’язку й телевізійного мовлення типу «Райдуга», «Екран», «Горизонт».

У експлуатації перебувають зарубіжні супутники зв’язку типу «Интелсат», «Домсат» (США), «Телесат» (Канада) і другие.

Попри свої переваги, геостационары, однадо ні в всіх випадках вигідні в техніко-економічному відношенні. При певних умовах раціональніше використання ШСЗ на высокоэллиптических орбітах, наприклад типу «Молния».

VI.

Заключение

.

Пропускна здатність, розгалуженість систем, надійність і економічність СБС постійно зростають. Многопрограммным телебаченням поступово охоплюються дедалі нові райони, зокрема й найвіддаленіші кутки Росії. Возрасло значення СБС під управлінням різними галузями народного господарства, в системах масового навчання, оповіщення про різноманітних стихійних явищах, подання медичної допомоги. Масове поширення отримали мобільні кошти супутниковому зв’язку, дозволяють швидко і практично у різноманітних районах країни організувати зв’язку з допомогою ИСЗ.

Значно розширилося міжнародне співробітництво у сфері застосування супутникових систем зв’язку, ще більше розвинулися системи «Интерспутник», «Стаціонар», возрасло їхню взаємодію з системами «Інтелсат», «Инмарсат» та інші СБС різних країн мира.

У мільйонів людей є можливість прямого використання СБС для індивідуальної в зв’язку зі будь-яким абонентом світу з допомогою малопотужних і дуже малогабаритних прийомно-передавальних пристроїв (цих апаратів). Реально застосування СБС для «електронної пошти» (інтернет). Можливе також використання ШСЗ для індивідуального визначення свого місцезнаходження в будь-якій точці земної кулі. Передбачається, що у розпорядженні користувачів будуть малогабаритні й дешеві індивідуальні навігаційні устрою типу невеликого транзистора.

Рік у рік супутникові системи зв’язку будуть ставати дедалі більше суттєвою частиною Єдиної системи зв’язку, важливим елементом глобальної системи зв’язку. Вони і тепер грають помітну роль поліпшенні зв’язків і взаєморозуміння між країнами, а часом ця роль буде возрастать.

Список використовуваної литературы:

1. Академія наук СРСР «Космос-Земле» Вид. «Наука», Москва 1981 р. 2. Дитяча енциклопедія, тому 2. Вид. «Академія педагогічних наук.

РРФСР", Москва 1962 г.

3. Тализін Н.В. «Супутники зв’язку — Земля і Всесвіт», 1977.