ОРБІТИ ШТУЧНИХ СУПУТНИКІВ ЗЕМЛІ

Рух космічного апарату по орбіті навколо Землі, коли його реактивні двигуни вимкнені, відбувається під дією гравітаційних сил і підкоряється відомим законам Кеплера.

Згідно першому закону Кеплера, орбіта штучного супутника Землі (ІСЗ) лежить в нерухомій площині, що проходить через центр Землі, і є еліпс, в одному з фокусів якого знаходиться центр Землі. Залежно від взаємного розташування площини орбіти і площини екватора, тобто від кута нахилу i, розрізняють екваторіальні (Z =0° ), похилі (0° < г < 90°) і полярні (г = 90°) орбіти. Крім того, бувають еліптичні і кругові орбіти. Насправді, якщо ексцентриситет еліпса е -* 0, то фокуси зближуються і еліптична орбіта перетворюється на кругову (рис. 3.14).

Рис. 3.14. До пояснення кута нахилу орбіти штучного супутника Землі

Серед екваторіальних кругових орбіт можна виділити геостационарную орбіту (ГО), яка віддалена від поверхні Землі на 36 000 км. Напрям руху ІСЗ співпадає з напрямом обертання Землі щодо своєї осі (із заходу на схід). Така орбіта є єдиною серед безлічі кругових екваторіальних орбіт і володіє поряд унікальних властивостей.

Підсупутникова крапка (ПТ), тобто точка перетину земної поверхні з лінією, що сполучає центр Землі з ІСЗ, в загальному випадку переміщається при русі космічного апарату по орбіті. У разі руху ІСЗ по ГО земний спостерігач бачить його таким, що нерухомо висить над ПТ, розташованої на екваторі. Діаграми спрямованості (ДН) антен земних станцій (ЗС) завжди направлені ІСЗ.

Щоб можна було ввести ряд найважливіших понять, необхідно розглянути прості геометричні співвідношення в системі "ІСЗ — Земля". На рис. 3.15 показано перетин просторової системи "Земля — супутник" площиною, що проходить через центр Землі Про, земну станцію А і супутник 5. Радіус-вектор AS співпадає з напрямом осі діаграми спрямованості антени ЗС. Очевидно, що з підсупутникової крапки супутник видно точно в зеніті, тобто вісь променя антени ЗС при наведенні її на ІСЗ повинна бути перпендикулярна до площини місцевого горизонту. У будь-якій іншій крапці А земної поверхні положення осі діаграми спрямованості антени ЗС буде деяку лінію, визначувану двома кутовими величинами: азимутом 5 і кутом місця Д.

Рис. 3.15. Геометричні співвідношення в системі "ІСЗ — Земля"

Кут місця Д — це кут між радіус-вектором AS і його проекцією на площину місцевого горизонту. Азимут 5 — це кут, відлічуваний за годинниковою стрілкою від напряму на Північний полюс до проекції AS на площину місцевого горизонту.

Якщо рахувати Землю ідеальною кулею, піднесення ЗС над рівнем моря — нульовим, а супутник — розташованим на ГО, то азимут і кут місця для променя антени ЗС можна обчислити за формулами

(3.5)

(3.6)

де в = #3.с — вс — довгота ЗС щодо меридіана ІСЗ; ?зс — широта ЗС; Я = 35 768 км — висота ГО; R = 6378 км — екваторіальний радіус Землі; до = 0, якщо ?з.с< 0° і Озс - 9с<0°; до - 1, якщо ?3.с > 0°; до = 2, якщо |3,< 0° і 0ЗС - <9С > 0°.

На рис. 3.15 дальність, похилої d, — модуль радіус-вектора AS.

Якщо відомі широта земної станції ?3.с і довгота її щодо меридіана супутника в, то дальність, похилої

(3.7)

Якщо відомий кут місця /3, то

(3.8)

Дальність, похилої, досягає максимального значення при /3 = 0°. В цьому випадку при R = 6370 км і Я + R = 42 164 км знаходимо dmax = 41 680 км, 2ушах = 17,4° і атм = 81,3°.

До достоїнств геостационарних ІСЗ слід віднести: цілодобові сеанси зв'язку; простоту систем наведення антен земних стянций на ІСЗ; стабільне значення загасання у вільному просторі на ділянці ІСЗ — Земля; порівняно мале частотне зрушення, викликане ефектом Доплера; збільшення зони радіовидимості до 1/3 всієї площі поверхні Землі. Проте зв'язок через ІСЗ на геостационарной орбіті можлива тільки для тих земних станцій, широта яких не перевищує 76°, тобто для яких кут місця /3 > 5°.

Розглянемо стисло деякі інші особливості геостационарних орбіт. Оскільки точне поєднання площин екватора і орбіти ІСЗ практично не представляється можливим, то завжди для геостационарной орбіти /^0°. Це значить, що підсупутникова крапка здійснюватиме періодичні рухи по поверхні Землі, що нагадують вісімку, щодо деякої точки рівноваги, лежачої на екваторі. Все це обумовлює необхідність супроводу супутника антенами земних станцій за допомогою спеціального пристрою наведення, званого екстремальним автоматом. Крім того, щоб переміщення геостационарного ІСЗ не виходило за встановлені межі, на ньому розміщують і періодично вводять в дію коректуючі реактивні двигуни. Оскільки живлення приймально-передавальної апаратури здійснюється, як правило, від сонячних батарей, те попадання космічного апарату в область тіні Землі позбавляє бортове устаткування енергопостачання.

Оскільки площина геостационарной орбіти (площина екватора) і площина орбіти Землі при її русі навколо Сонця не співпадають (із-за відомого нахилу земної осі), то велику частину року геостационарний ІСЗ взагалі не потрапляє в тінь Землі: при проходженні "за Землею" супутник знаходиться вищим або нижчим за тінь, відкиданою Землею (рис. 3.16, а). Проте в періоди осіннього і весняного рівнодення ІСЗ потрапляє в тінь Землі, оскільки він перетинає пряму Сонце — Земля (рис. 3.16,6). Затінювання починається за 23 дні до рівнодення і закінчується через 23 дні після нього. Воно наступає тоді, коли в підсупутниковій крапці ніч. Тривалість затінювання день за днем збільшується і досягає 72 мін під час рівнодення, після чого зменшується.

Рис. 3.16. Взаємне розташування площин орбіт Землі і геостационарного ІСЗ:

про — при нормальній евняї; б — при попаданні ІСЗ в тінь Землі

Час затінювання ІСЗ звичайно враховується при складанні плану роботи космічних служб віщання. Рекомендується також зрушувати на захід мовні ІСЗ щодо зони обслуговування, для того, щоб затінювання наступало після закінчення передач. Разом із затінюванням ІСЗ слід зазначити попадання земної станції в тінь космічного апарату, коли ІСЗ проходить диск Сонця. В цьому випадку земна станція сприймає Сонце як диск з кутовим діаметром 0,48° з надзвичайно великою інтенсивністю шуму, внаслідок чого шумова температура приймальної системи підвищується до 25 000 До (звичайно Ггз.,. = 100...300 ДО) і зв'язок припиняється. Чим менший діаметр антени земної станції, тим ширше основна пелюстка її діаграми спрямованості і тим довше знаходитиметься диск Сонця в промені антени. Наприклад, якщо D = 10 м, то на частоті 4 ГГц максимальний час перерви зв'язку складе 8 мин. Подібні перерви відбуваються протягом 6 днів двічі в рік опівдні на довготі супутника в період рівнодення.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
	\|	ОСОБЛИВОСТІ ЕНЕРГЕТИКИ СУПУТНИКОВИХ ЛІНІЙ

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.005 сек.